标题

Size: px

Start display at page:

Download "标题"

晋明
5 years ago
Views:

1 53,051401(2016) L&OpPg C2016 «中国激光» 杂志社基于平行玻璃板阵列的二极管激光线阵光束整形郭林辉吴华玲余俊宏王昭谭昊高松信武德勇 1 中国工程物理研究院应用电子学研究所, 四川绵阳中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室, 四川绵阳摘要二维轴向光束质量的不均衡是二极管激光线阵应用的最大瓶颈, 但利用光束整形技术可加以改善. 基于平行玻璃板对光束的偏移作用, 设计一种以线阵中独立发光单元作为整形对象的平行玻璃板阵列光束整形方法, 可减小整形中慢轴光束能量损失, 实现二维轴向光束质量的高效率调整. 针对 12 个发光单元的短二极管激光线阵开展验证实验, 结果表明, 整形效果符合模拟结果, 整形效率达 93.62%. 关键词激光器 ; 二极管激光 ; 平行玻璃板阵列 ; 光束整形中图分类号 TN248.4 文献标识码 A d: /lop Bm ShpgBdPGPAy DdLAy GuLhu 12 WuHug 12 YuJuhg 12 WgZh 12 TH 12 GSgx 12 WuDyg 12 1 IuAppdE ChAdmyEggPhy Myg Shu Ch 2 KyLbySdThgyHghEgyL ChAdmyEggPhy Myg Shu Ch Ab Mdwbkddyymmbm quy whhbmpvdbybm hpg 敭 Pgpyudbmhpggmddybdbm dpmppy whhdupwwxddubmquywhhghybh x 敭 Vddxpmbdhddywh12mdu dhud hhbmhpgdgwhhmu dhbmhpgy93 敭 62% 敭 Kywd dd pgpy bmhpg OCISd 140 敭敭敭敭引言二极管激光器线阵 (DLA) 因其电光转换效率高体积小重量轻等优点, 在众多领域取得越来越广泛的应用, 如抽运固体 / 光纤激光器材料加工生物医学军事国防等. 但由于 DLA 特殊的波导结构和长条形结构, 导致输出光束在平行于 PGN 结方向 ( 慢轴 ) 和垂直于 PGN 结方向 ( 快轴 ) 的差异很大, 快轴方向发散角很大, 慢轴方向光束质量差, 且两个方向存在像差.DLA 输出光束的以上特性严重限制了其应用范围. 为了更好地应用 DLA 光源, 需要根据使用要求, 对其出射光束进行光束整形. [1G2] [3G4] [5] 目前国内外已经有许多针对 DLA 的光束整形方法, 其中的棱镜组整形平行玻璃板台阶镜等收稿日期 :2015G09G08; 收到修改稿日期 :2015G12G02; 网络出版日期 :2016G04G23 基金项目 : 中国工程物理研究院培育专项 (909PYG4) 作者简介 : 郭林辉 (1982-), 男, 硕士, 助理研究员, 主要从事大功率半导体激光光束整形技术方面的研究. EGm:gh863@163.m 通信联系人.EGm: b@163.m G1

2 p u 方法已被大量研究及应用.该类器件的优点是整形思路简单,通过折射或反射方法,沿 DLA 慢轴方向根据需要进行光束切割重排,实现快慢轴光束质量的调整.其次,该类整形器件属无光焦度器件,整形中具有不引入像差的优点,同时成本较为低廉,易加工.但是该类方法的缺点是在光束切割重排中,能量损失较大, 整形效率一般不超过９０ [３４],能量损失原因除器件制作缺陷装调等因素外,主要原因是该类方法设计中, 常常根据切割的份数,针对 DLA 慢轴整体光斑进行切割重排,导致光束切割点(线)可能处在 DLA 中发光单元上,同时慢轴方向的准直镜焦距受发光区间隔尺寸限制,边缘光不能实现较好准直,造成光能量损失 [５８]. 设计了一种特殊结构的平行玻璃板阵列整形器件,针对 DLA 中独立发光单元进行光束错位重排整形,有效克服了以往针对慢轴方向整体切割重排整形方法中能量损失大的缺点,最大程度利用了发光单元的能量,可提高光束整形的效率. ２整形原理１ DLA 光束特点 DLA 中由多个二极管激光单元按照特定比例线性排列组成,如图１所示, Z 轴方向代表激光出射方向, Y 轴代表快轴方向,发散角一般为６０ ~９０,快轴方向发光尺寸约为１μm, X 轴代表慢轴方向,发散角一般为８ ~１０,典型尺寸为１０ mm(或称 DLb ),目前也有尺寸小于１０ mm 的短 DLA 阵列.光参数积是目前应用最广泛的评价光束质量的方法之一,用束腰半径和远场发散半角乘积来描述.对于 DLA,其快慢轴方向的光参数积相差很大.快轴方向光束质量相对较好,几乎接近衍射极限,慢轴方向光束质量较差,一般为快轴方向的几十倍甚至上千倍. 图１ DLA 的光束特点 mh DLA g敭１ B ２平行玻璃板的光束整形原理平行玻璃板对光束有偏移作用,如图２所示.平行玻璃板沿 Z 轴方向水平放置,其下底角为θ,底边长为.光束沿水平方向以α 入射,进入玻璃后折射角为β,折射光束与水平反向夹角为 x,光束经过玻璃板后出射方向与入射方向平行,其Y 方向的偏移量为 Δh.为了表示方便,标记３个点 A B C,其位置见图２所示,其中 AC 为入射角的法线方向,将 AB 之间距离记为１, AC 之间距离记为２. 图２平行玻璃板对光束的偏移作用 md p m h ughp g g敭２ B ２

3 p u 设空气的折射率为０,平行玻璃板材料的折射率为１,相对折射率１/ ０,由斯涅耳定律及几何关系,可计算得到: θ θö ù é æ úú. ( Δh êê９０ θ ç １) ë è øû [ ( θ/ )] 由( １)式可以看出,偏移量 Δh 仅与玻璃板的底边底角θ 以及材料的相对折射率有关.若θ 及固定, 调节底边长即可控制偏移量 Δh. ３平行玻璃板阵列整形器件设计为简化分析,以美国 QPC 激光器公司生产的短阵列 DLA 为原型进行设计.该激光器中发光单元条宽为１００μm,有源层厚度为１μm,间距为０５ mm,共包含１２个发光单元,慢轴发散角不大于９ (包含９０能量),快轴发散角不大于７５ (包含９０能量),额定输出功率为６０ W,中心波长为８０８m±３m.计算出该激光器在快慢轴的光参数积分别为０３ mm m d 和４７３７ mm m d,可见快慢轴光参数积相差１多倍,两个轴向光束质量均衡性极差. 设计了一种整形系统,主要包括快轴准直单元快轴方向错位单元及慢轴方向平移单元３部分,分别记为 AC(快轴准直透镜) P１ P２,其中错位及平移单元的组件由３种不同参数平行玻璃板根据特定方式组合构成,如图３所示.为便于描述,将不同参数玻璃板分别标记为 A B C,其中 A B 组件按照 A B 反向放置 A 的组合方式,依次沿慢轴方向排列组成 P１单元, P２单元由 A C 反向放置 A 依次沿快轴方向组成,形成一个３层结构. 图３平行玻璃板对光束的偏移作用.( )俯视图;( b)侧视图 b mhp gy m敭 P m g敭３ Shm b dv w 其中快轴准直部分采用商品化的非球面快轴准直透镜,可实现快轴光束的高效准直 [６],型号选择德国 LIMO 公司 AC４１０,有效焦距为０４１ mm,准直后理想发散角为３０ m d(包含８５能量). 基于２节中的计算方法,对图３中整形单元组件的尺寸及角度进行了设计,主要参数见表１所示,其中 A B C 单元件的宽度和激光器中发光单元间距相同,均设计为０５ mm,其余参数均根据( １)式计算获得, 组件材料为 S１１,折射率为１７５. 表１玻璃平板的主要参数 Tb １ P m m p g p yp Typ Lg h/mm W d h/mm H /mm gh Ag /( ) B ２６０１９０ A C １７３６００００３６２６ Rm k ６０/１２０ g m p ９０ ub d ub d 利用 ZEMAX 光学软件,对 DLA 出射光束经过整形器件的光束特性进行了光学追迹,如图４所示,其中图４( )和( b)分别为慢轴和快轴方向的光线追迹效果图. DLA 中发光单元先经 AC 透镜在快轴方向上准直,其准直效果光强度分布见图５( )所示,然后利用 P１单元中的平板玻璃阵列把发光单元沿快轴方向平移分割成３组,在慢轴方向上被分成了４组,其强度分布见图５( b)所示,再利用 P２单元中的平板玻璃阵列把错位的４组光点在慢轴方向上平移对齐,见图５( )所示,从而实现 DLA 中慢轴方向发光单元在空间上向快轴方向的转移,实现光束整形及光参数积的调整. ３

p u 图４光束整形过程的光线追迹.( )慢轴方向;( b)快轴方向 g b mhp gp 敭 S wx b x g敭４ Ry 图５光束整形过程强度分布.

采用标准微通道冷却器封装,冷却器的典型厚度为１８ mm,该整形方式可巧妙填充快轴方向由于封装引入的间距( 死区 ),成倍提高光源的亮度及功率密度,可拓展应用到 DLA 叠层阵列光源研制中; ２)针对单独发光单元在空间位置上进行了重新排布,成倍

４实验研究实验中采用传导冷却方式封装的 DLA 激光器( １２个发光单元),具体参数见第３节所述,采用 AC４１０非球面透镜对快轴光束进行准直,准直后快轴远场实测发散角为５m d,对应包含９５能量,远场测试光斑见图６所示.

图６ AC 透镜准直后的远场光斑图７平行玻璃板阵列器件实物图 d bu AC g敭６ yd u p g p y g敭７ P m 为验证整形过程光束的变换情况及掌握能量损失情况,利用分离的平行玻璃板阵列整形组

4 p u 图４光束整形过程的光线追迹.( )慢轴方向;( b)快轴方向 g b mhp gp 敭 S wx b x g敭４ Ry 图５光束整形过程强度分布.( )AC 透镜后;( b)p１单元中的平板玻璃阵列后;( )P２单元中的平板玻璃阵列后 bu b mhp gp 敭 A AC g敭５ I yd b g p y P１ g p y P２ DLA 光束经过平行玻璃板阵列光束整形的优点主要有: １)如果 DLA 采用标准微通道冷却器封装,冷却器的典型厚度为１８ mm,该整形方式可巧妙填充快轴方向由于封装引入的间距( 死区 ),成倍提高光源的亮度及功率密度,可拓展应用到 DLA 叠层阵列光源研制中; ２)针对单独发光单元在空间位置上进行了重新排布,成倍增大了发光单元之间的间距(由０５ mm增加到１５ mm),因此,有利于后续使用长焦距的柱面准直透镜阵列针对单个发光点进行慢轴准直,可获得高效率的准直效果,利于后续的聚焦或耦合输出. ４实验研究实验中采用传导冷却方式封装的 DLA 激光器( １２个发光单元),具体参数见第３节所述,采用 AC４１０非球面透镜对快轴光束进行准直,准直后快轴远场实测发散角为５m d,对应包含９５能量,远场测试光斑见图６所示.根据表１中设计参数,加工了平行玻璃板器件,精密组装成平行平板玻璃阵列组件,实物如图７所示,器件中光束入射及出射面均镀高透过率薄膜,对８０８m 的透过率大于９９５. 图６ AC 透镜准直后的远场光斑图７平行玻璃板阵列器件实物图 d bu AC g敭６ yd u p g p y g敭７ P m 为验证整形过程光束的变换情况及掌握能量损失情况,利用分离的平行玻璃板阵列整形组件依次对 DLA 中发光单元开展了准直错位平移实验,由于实验中没有慢轴准直透镜阵列,为便于监测发光单元,验证整形过程中发光单元位置的变换,在光路后端增加了一个焦距为 mm 的成像透镜,利用电荷耦合器件 ( CCD)监测光束状态, DLA 激光束经过 AC 透镜 P１ P２后的光斑如图８所示. 由图８中可以看出,整形后光斑清晰完整,错位及平移过程与理论符合度较高.在实验过程中,对各单元组件前后的功率进行了测试,该整形方法(错位组件 P１平移组件 P２)的总体效率为９３６２,各环节功率测试结果见表２所示. ４

5 p u 图８光束强度分布测试结果.( )AC 透镜后;( b)p１单元中的平板玻璃阵列后;( )P２单元中的平板玻璃阵列后 u b m bu 敭 A AC g敭８ T yd b g p y P１ g p y P２表２功率测试结果 A DLA Pw /W Tb ２ T u u pw pu ６０１０ E y/ A AC p yp１ A g A g p yp２９８５５９６２６９７２４５９２３５７０２５５４５ [] 通过对实验结果分析,得到平行玻璃板阵列整形过程能量损失的原因主要有: １) m 效应９.DLA 封装过程由于存在应力,会产生 m 效应,导致线阵列中发光单元沿快轴出现微小位移,引起错位及平移整形中光能量的损失; ２)件缺陷.平行玻璃板尺寸较小,加工及组装中的微小偏差,均会对光束边缘部分起到裁剪作用,引起能量损失,同时也会导致光束重排后位置出现偏差,如图８( )中第３列光斑. ５结论设计一种 DLA 光束整形的方法,以 DLA 中发光单元作为整形对象,通过平行玻璃板阵列实现 DLA 中慢轴光束的错位重排,实现快慢轴光束质量的调整.采用自研的整形器件针对短 DLA 进行整形实验,实验结果显示,光束整形效果良好,光束传输效率达９３６２. 参考文献１ B S V P敭D d b mhp gbyp p h z J 敭J u Op A Pu d App d qu Op ２００７９５４４１４４５敭２ PYuyu Cu Ru zh ChGg 敭敭B m hp g h d db w hp mg up J 敭L qu T h gy ２００６３０４３７０３７４敭潘圆圆崔瑞帧陈刚等敭用于半导体激光器的棱镜组光束整形方法 J 敭激光技术２００６３０４３７０３７４敭３ L M gw Yu X h Sh X yg 敭敭L d d yb m hp gb dp g p J 敭 J u App dop ２０１３３４５８６４８６９敭李明伟于晓晨邵晓阳等敭基于平行玻璃板的半导体激光器阵列光束整形 J 敭应用光学２０１３３４５８６４８６９敭４ Pg Hgyu GuYuyu ShX 敭敭S udyb m hp g h d d J 敭Ch J ghpw L ２０１１３８２０２０２０１０敭彭航宇顾媛媛单肖楠等敭大功率半导体激光光源光束整形技术研究 J 敭中国激光２０１１３８２０２０２０１０敭５ GX BBxu Q Zhg g 敭敭S g b up g mu yd d J 敭A Ph S ２０１０３９７１２２９１２３３敭高欣薄报学乔忠良等敭多线阵半导体激光器的单光纤耦合输出 J 敭光子学报２０１０３９７１２２９１２３３敭６ GuL hu GSgx WuDyg 敭敭B m m d d v k J 敭H L d ghpw P B m ２０１１２３３５５７５８０敭郭林辉高松信武德勇等敭二极管激光器垂直阵列光束精密准直 J 敭强激光与粒子束２０１１２３３５５７５８０敭７ WgPY Gh A敭B mhp g h gy d d y C 敭SPIE ２００２４７７０１３１１３５敭５

6 53,051401(2016) 8 CYhu LuYuqg Q Wb 敭敭 Kwddwhbm quybhgdg J 敭 ChJL G2285 敭曹银花刘友强秦文斌等敭光束质量超过全固态激光器的千瓦直接半导体激光器 J 敭中国激光 G 2285 敭 9 GuLhu TgChu WuDyg 敭敭 Mum"m"hghGpwddyJ 敭 HghPw LdPBm G197 敭郭林辉唐淳武德勇等敭大功率二极管激光线阵的 "m" 测量方法 J 敭强激光与粒子束 G197 敭 G6

第期李伟等用方法对中国历史气温数据插值可行性讨论

第期李伟等用方法对中国历史气温数据插值可行性讨论李伟李庆祥江志红使用插值方法对已经过质量控制和均一化的年月年月中国全部基本基准站气温资料逐月进行空间插值通过站点的实际序列与插值后格点序列进行比较针对相关系数和线性趋势等多个量来检验方法对气候资料插值的