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文章编号
:100123806(2
5
激光二极管光束整形技术
郭明秀
1
沈冠群
2
陆雨田
1
(1
中国科学院上海光学精密机械研究所
,
上海
< br>,201800
(2
上海市激光技术所
,
上海
,200233
摘要
:
阐述了对
LD
输出光束进行整形的必要性。在国内首次对目前常用的一
些典型的光束整形技术的整形原理、关键技术及整形效果进行了分析、比较和评
价。
关键词
:
激光二极管
;
激光二极管阵列
;
光束整形
;
拉格朗日不变量
中图分类
号
:TN24814
文献标识码
:A
The
technology of laser diode beam shaping
Guo M i ngxi u 1,S hen Guanqun 2,L u Y
utian 1
(1Shanghai Institute of Optics
and Fine Mechanics ,the Chinese Academy of
Science ,Shanghai ,201800
(2Shanghai Institute of Laser
Technology ,Shanghai ,200233
Abstract
:This paper introduces the necessity of beam
shaping for LDA beam.S ome
typical beam
shaping methods ’shaping principles ,key
techniques and shaping effects are
areanalyzed ,compared and assessed for
the first time.K ey w ords :laser diode (LD laser
diode array (LDA beam shaping
;Lagrange invariant
作者简介
:
郭明秀
,
女
,1975
年
11
月出生。硕士。现从事半导体泵浦固体激
光器及半导体激光器光
束整形的研究工作。
收稿日期
:2002212219;
收到修改稿日
期
:2003201222
引
言
激光二极管
LD (laser diode
及其阵列
LDA (laser diode array <
/p>
的主要特点是高
效、稳定、结构简单
,<
/p>
可制成小体积全固化器件。广泛应用于
LD
泵浦的固体激光
器、光纤激光器、材料处理、医药、航空航天等各个领域。
LD
由于其特殊的工作原理
,
其光束质量在垂直与平行于
p 2n
结两个方向上相
差很大。通常把垂直于
p 2n <
/p>
结方向称为快方向
,
平行于
p 2n
结方向称为慢方向。快
方向上的光束接近
衍射极限
(M 2≈1,
发散角大
;<
/p>
而慢方向上的光束质量则极差
(M
2>
1000,
发散角小。正是由于这两个方向上的光束质量的极不均衡性使得
LD
应用
起来比较困难。而且这样的快慢两个方向
上光束质量相差很大的光束无法用一般的
光学系统直接改善而达到高功率密度输出。因此
,LD
要获得更广泛的应用
,
必须采
用光束整形方法
,
解决光束质量差、功率密度低的问题。
1
光束整形技术的原理、关键技术
1.1
LDA
光束整形技术的原理
假设
d
为光源的尺寸
,θ
为其发散角
,n
为所在
介质的折射率
,
一个光源无论经过什么样的光学成
像系统的变换
,
乘积
L =d
×
θ×n
始终保持不变
,
称之为拉格朗日不变量。光束质量的评价一般采用
M 2
来
表征
,
但通常也可采用拉格朗日不变量来表征。由于通常的光学成像系统不能改变
光束的拉
格朗日不变量
,
因此
,
必须将
LD
光束分割、旋转、重排
< br>,
即光束整形
,
把慢方
向上的拉格朗日不变量减小
,
同时使快方向上的
拉格朗日不变量增加
,
达到均衡拉格
朗
日不变量
,
提高光束质量的目的
。
图
1
LDA
光束重组的几种结果
图
1
表示光束重排的几种结果
(P 1~P
4[1]
。
CSA
是
LDA
发光区排列方式。采用按微镜分割时
,LDA
的发光区排列可看成
像
CS
一样
,
即在光束
第
27
卷
第
4
期
2003
年
8
月<
/p>
激
光
技
术
LASER TECHNOLO
GY
Vol.27,No.4August ,2003
分割中不用考虑节数、结间距
PH
,
光束分割数不受
LDA
节数的限制
,
因此
,
可<
/p>
形成光束重排方式
P
2
且能像
P 1
一样地提高光束质量<
/p>
,
这种分割使得光束整形器易
于制作且成
本低。
1.2
关键技术
光束快方向的准直和慢方向
上光束质量的提高是整个光束整形的关键所在。快
方向上的发散角一般采用微柱透镜来调
整
,
但由于发散角极大
,
用来准直的微柱透镜
要求数值孔径比较大
,
几何尺寸很小。制造一种性能好的微柱透镜在加工、设计、
安装上都具有
较高的难度。降低慢方向上的拉格朗日不变量主要是由光束整形器实
现的。
2
主要的光束整形技术
2.1
光纤转换器
(line 2to 2bundle
converting
f iber[2]
最简单的光束整形技术当属光纤转换器
,
瑞士伯尔尼大学
(University of
Berne
应用物理所的
Zbinden
等人在
LDA
端面泵浦的
Nd
∶
Y L F
调
Q
激光器中采
用了这一技术。其原理如图
2,
采用光纤阵列将光束按
LDA
横模进行分割
,
< br>将光纤在
靠近
LD
的一端排成线阵列
,
另一端则人为排成束状。
图
2
光纤转换器的原理图
该种方案中提高
耦合效率的方法主要有
:(1
在
光纤转换器的输入端连续排列光纤
;(2
光
纤转换器输入和输出端面镀
AR
膜
;
(3
先用微柱透镜将
LDA
的快方向
进行准直再耦合进光纤
,
这样得到的光束空间发散均
匀。另外可通过面阵列或将单个
LDA
的光纤转
换器的输出端面再捆绑在一起达到
高功率的目的
,
但是这样并不能提高泵浦光的亮度。
2.2
渐变折射率透镜
(GRIN
阵
列整形
[3]
GRIN
透镜阵列整形技术是由日本钢铁公司的
Yamaguchi
等人发明的。采用
GRIN
透镜阵列将光
束按照
LDA
节分割准直
,
然后聚焦。如图
3,
该方法没有重排子光束
,
但是它通
过透镜阵列对每个
LDA
结分别准直而提高了
LDA
的填充因
子
,
结果是慢方向的拉
格朗日不变量减
少了
,
即光束质量得到了提高
,
但是快慢两个方向的光束质量相差还
是
较大
,
最后得到的光束分布不均匀
,
整形效果不太明
显。但由于这种方法较早提出了按照
LDA
节分割准直的思想而受到重视。
图
3
渐变折射率透镜阵列整形技术
2.3
多棱镜阵列
(multiprism array[4]
多棱镜阵列也是日本钢铁公司的
Yamaguchi
等
人发明的。其原理如图
4,
采用多棱镜阵列将光束按照
LDA
节分割
,
旋转重排
,
达到改善光束质量的目的。
图
4
旋转重排原理图
多棱镜阵列如图
5
所示
,
使用时把
LDA
结与小
棱镜一一对应。这些棱镜将每条子光束旋转
90°
,
从第
1
个棱镜入射的光束在相邻的第
2<
/p>
个棱镜出
图
5
多棱镜列阵排列图
853
激
光
技
术
2003
年
8
月<
/p>
射
,
故棱镜数
目比
LDA
结多
2
< br>个。单个斜棱镜的作用如图
6
所示。两个平行面
π1
和
π2
是全等的底
角为
45°
的等腰梯形
,
两个平行面
σ2
和
ρ
以及面
σ1
和
σ3
都是锐内角为
tan
-1(1/2
的平行四边形。面
π1
和
π2
与面
ρ
和
σ2
垂直
,σ1,σ2<
/p>
和
σ33
个面互成
60°
,
面
π1
与
σ1,π2
与
σ3
分别成
45°
的夹角。光
束与
π1
成
0°
入射
,
依次分别在
σ1,σ2
和
σ3
上反射
,
被旋转
90°
后
,
从
π2
面垂直出射
。
图
6
单个斜棱镜作用示意图
同
GRIN
阵列相比
,
多棱镜阵列中
4
个附加光学
面和
3
个反射面的存在降低了
耦合效率
。但是由于均衡了快慢方向的拉格朗日不变量
,
其功率密度提高
了大约
18
倍。
2.4
双反射镜整形技术
(t w o 2mirror beam
2shaping
technique[5]
英国
Southampton
大学光电研究中心的
Clark 2son
< br>等人提出了采用两个高
反平面镜来实现快慢两
个方向上光束质量因子的均衡
,
而亮度只略微降
低。它将光束按照镜间错位距
离分割
,
分段重排
,
加工和调整都比较简便。
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