Anamorphic Prism Pairs

大多數雷射二極體由於有源區呈矩形結構（圖1），會在X/Y軸產生具有不同發散角的橢圓形光束。此類光束在多數應用中會產生負面影響，橢圓形光束的聚焦光斑尺寸明顯大於圓形光束。較大的光斑尺寸將導致焦點處輻照度（單位面積輻射能通量）降低，進而可能需要提升雷射輸入功率。變形稜鏡組特別適用於將橢圓形光束轉化為接近圓形。

圖1：雷射二極體的矩形結構，會產生在不同方向具有不同發散角的橢圓形光束。

變形稜鏡組由兩個直角稜鏡構成，通過折射作用重塑光束形態¹。其核心功能是將橢圓光束轉換為圓形光束，也可調控生成不同尺寸的橢圓光束。光學重塑基於折射原理：光束在單軸方向發生偏折，另一軸向保持恒定（圖2），從而補償原始光束的雙向發散差異。這種特性可補償原始光束的不同發散角度。

圖2：變形稜鏡組通過單軸方向的光束擴束，實現橢圓光束的光斑形狀修正。

單個稜鏡雖然可以改變單軸光束半徑，但會同時改變光束傳播方向。需要成對使用稜鏡來調控光束橢圓度，同時保持原始傳播方向（圖 2）。然而，使用變形稜鏡組需要精確的角度校準。雖非必須條件，但建議將其中一個稜鏡置於布魯斯特角（即p偏振光無反射的入射角）。稜鏡的另一表面應採用垂直入射設計，並配備抗反射膜（AR鍍膜）以實現最大光通量。這種精密校準要求是客戶通常選擇預校準稜鏡組套件的主要原因。

高端雷射二極體常在雷射頭內整合變形稜鏡組以實現光斑修正。但多數低成本二極體未配備此裝置。實際應用中，「分立式二極體+外置變形稜鏡組」的總成本通常低於採購高端整合化產品。

與柱面透鏡方案對比

柱面透鏡（僅單軸方向具備光焦度）同樣廣泛用於橢圓光束光斑修正處理（圖3）。柱面透鏡透過聚焦或改變波前曲率實現光束調控。因此，在低波前畸變應用場景中，變形稜鏡組更具優勢。

柱面透鏡比預裝式變形稜鏡組具有更多自由度，因此校準難度更高。柱面透鏡易發生傾斜，而稜鏡系統在獨立軸校準過程中具有更好的容錯性。使用柱面透鏡時需特別注意其焦距參數，確保與二極體輸出端保持精確距離，以生成準直化圓形光束。預裝式變形稜鏡組使用者更加友好：出廠預校準固定擴束倍率，無需像柱面透鏡那樣自主定位組裝僅，需沿單一軸向滑動稜鏡至光路即可完成校準，減少額外調試環節，節省了使用者的時間成本。對稜鏡組與入射雷射光束的相對位置敏感度較低。

圖3雙柱面透鏡透過獨立調控X/Y軸實現橢圓光束光斑形狀修正

柱面透鏡的優勢體現在：自由度更高，適用於研究級應用與原型開發，配合抗反射膜（AR鍍膜）可實現更高光通量，材料的光程損耗低於稜鏡系統（布魯斯特角配置下p偏振光會產生損耗）。更多柱面透鏡技術細節請參閱柱面透鏡使用注意事項應用指南。 

表1：柱面透鏡與變形稜鏡組光束圓化方案性能對比

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參考文獻：

1. Paschotta, Rüdiger.Encyclopedia of Laser Physics and Technology, RP Photonics, October 2017, www.rp-photonics.com/encyclopedia.html.
2. 變形鏡：用變形稜鏡組實現雷射光束整形（2020年3月23日）。2020年6月15日檢索，來自https://shapeoptics.com/anamorphic_prism/

更多資源

• 柱面透鏡使用注意事項應用指南
• 為什麼使用平頂雷射光束？應用指南
• 雷射實驗室系列影片