激光二極管光束整形技術(shù)講解

1、文章編號(hào)：100123806(20030420357205激光二極管光束整形技術(shù)郭明秀1沈冠群2陸雨田1(1中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，上海,201800(2上海市激光技術(shù)所，上海,200233摘要:闡述了對(duì)LD輸出光束進(jìn)行整形的必要性。在國內(nèi)首次對(duì)目前常用的一些典型的光束整形技術(shù)的整形原理、關(guān)鍵技術(shù)及整形效果進(jìn)行了分析、比較和評(píng)價(jià)。關(guān)鍵詞:激光二極管；激光二極管陣列；光束整形;拉格朗日不變量中圖分類號(hào):TN24814文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AThe tech no logy of laser diode beam shap ingGuo M i ngxi u 1,S hen Gua nqun 2,

2、L u Y utia n 1(1Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics ,the Chinese Academy ofScie nee ,Sha nghai ,201800(2Sha nghai In stitute of Laser Techno logy ,Sha nghai ,200233Abstract :This paper in troduces the n ecessity of beam shap ing for LDA beam.S ometypical beam shaping methods ' shapin

3、g principles ,key techniques and shaping effects are area nalyzed ,compared and assessed for the first time.K ey w ords :laser diode (LD ;laser diode array (LDA ;beam shap ing ;Lagra nge in varia nt作者簡(jiǎn)介:郭明秀，女,1975年11月出生。碩士。現(xiàn)從事半導(dǎo)體泵浦固體激光器及半導(dǎo)體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激光二極管LD (laser

4、diode及其陣列LDA (laser diode array的主要特點(diǎn)是高 效、穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可制成小體積全固化器件。廣泛應(yīng)用于LD泵浦的固體激光器、光纖激光器、材料處理、醫(yī)藥、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域。LD由于其特殊的工作原理，其光束質(zhì)量在垂直與平行于p 2n結(jié)兩個(gè)方向上相 差很大。通常把垂直于p 2n結(jié)方向稱為快方向，平行于p 2n結(jié)方向稱為慢方向?？?方向上的光束接近衍射極限(M 21發(fā)散角大;而慢方向上的光束質(zhì)量則極差(M 2>1000,發(fā)散角小。正是由于這兩個(gè)方向上的光束質(zhì)量的極不均衡性使得LD應(yīng)用起來比較困難。而且這樣的快慢兩個(gè)方向上光束質(zhì)量相差很大的光束無法用一般的 光學(xué)系統(tǒng)

5、直接改善而達(dá)到高功率密度輸出。因此丄D要獲得更廣泛的應(yīng)用，必須采 用光束整形方法，解決光束質(zhì)量差、功率密度低的問題。1光束整形技術(shù)的原理、關(guān)鍵技術(shù)1.1 LDA光束整形技術(shù)的原理假設(shè)d為光源的尺寸，為其發(fā)散角,n為所在介質(zhì)的折射率，一個(gè)光源無論經(jīng)過什么樣的光學(xué)成像系統(tǒng)的變換，乘積L =d X始終保持不變，稱之為拉格朗日不變量。光束質(zhì)量的評(píng)價(jià)一般采用M 2來表征，但通常也可采用拉格朗日不變量來表征。由于通常的光學(xué)成像系統(tǒng)不能改變 光束的拉格朗日不變量，因此,必須將LD光束分割、旋轉(zhuǎn)、重排，即光束整形，把慢方 向上的拉格朗日不變量減小，同時(shí)使快方向上的拉格朗日不變量增加，達(dá)到均衡拉格 朗日不變量，

6、提高光束質(zhì)量的目的IWU2010 cKmJowtuili Etacv* hMMm IteMt Ail ri|細(xì) iwnwvi.氣畑Hki4Wt圖1 LDA光束重組的幾種結(jié)果圖1表示光束重排的幾種結(jié)果（P 1P 41。CSA是LDA發(fā)光區(qū)排列方式。采用按微鏡分割時(shí) 丄DA的發(fā)光區(qū)排列可看成 像CS 樣，即在光束第27卷第4期2003年8月激 光 技 術(shù)LASER TECHNOLO GYVol.27,No.4August ,2003分割中不用考慮節(jié)數(shù)、結(jié)間距 PH，光束分割數(shù)不受LDA節(jié)數(shù)的限制，因此，可 形成光束重排方式P2且能像P1一樣地提高光束質(zhì)量，這種分割使得光束整形器易 于制作且成本低。

7、1.2關(guān)鍵技術(shù)光束快方向的準(zhǔn)直和慢方向上光束質(zhì)量的提高是整個(gè)光束整形的關(guān)鍵所在?？?方向上的發(fā)散角一般采用微柱透鏡來調(diào)整，但由于發(fā)散角極大，用來準(zhǔn)直的微柱透鏡 要求數(shù)值孔徑比較大，幾何尺寸很小。制造一種性能好的微柱透鏡在加工、設(shè)計(jì)、 安裝上都具有較高的難度。降低慢方向上的拉格朗日不變量主要是由光束整形器實(shí) 現(xiàn)的。2主要的光束整形技術(shù)2.1 光纖轉(zhuǎn)換器（li ne 2to 2bu ndle con vert ingf iber2最簡(jiǎn)單的光束整形技術(shù)當(dāng)屬光纖轉(zhuǎn)換器，瑞士伯爾尼大學(xué)（University of Berne應(yīng)用物理所的Zbinden等人在LDA端面泵浦的Nd : Y L F調(diào)Q激光器中

8、采 用了這一技術(shù)。其原理如圖2,采用光纖陣列將光束按LDA橫模進(jìn)行分割，將光纖在 靠近LD1W4-2A10 China Academic Jtiurtul Electronic Publishing Houj£. All nts neservd.hnp"比 wwxnki.nd的一端排成線陣列，另一端則人為排成束狀。圖2光纖轉(zhuǎn)換器的原理圖該種方案中提高耦合效率的方法主要有：（1在光纖轉(zhuǎn)換器的輸入端連續(xù)排列光纖；（2光纖轉(zhuǎn)換器輸入和輸出端面鍍AR膜;（3先用微柱透鏡將LDA的快方向進(jìn)行準(zhǔn)直再耦合進(jìn)光纖，這樣得到的光束空間發(fā)散均 勻。另外可通過面陣列或?qū)蝹€(gè)LDA的光纖轉(zhuǎn)換器的輸

9、出端面再捆綁在一起達(dá)到高功率的目的，但是這樣并不能提高泵浦光的亮度。2.2漸變折射率透鏡（GRIN陣 列整形3GRIN透鏡陣列整形技術(shù)是由日本鋼鐵公司的Yamaguchi等人發(fā)明的。采用GRIN透鏡陣列將光束按照LDA節(jié)分割準(zhǔn)直，然后聚焦。如圖3,該方法沒有重排子光束，但是它通 過透鏡陣列對(duì)每個(gè)LDA結(jié)分別準(zhǔn)直而提高了 LDA的填充因子，結(jié)果是慢方向的拉 格朗日不變量減少了，即光束質(zhì)量得到了提高，但是快慢兩個(gè)方向的光束質(zhì)量相差還 是較大,最后得到的光束分布不均勻，整形效果不太明顯。但由于這種方法較早提出了按照LDA節(jié)分割準(zhǔn)直的思想而受到重視。 圖3漸變折射率透鏡陣列整形技術(shù)2.3 多棱鏡陣列（

10、multiprism array4多棱鏡陣列也是日本鋼鐵公司的 Yamaguchi等人發(fā)明的。其原理如圖4,采用多棱鏡陣列將光束按照LDA節(jié)分割，旋轉(zhuǎn)重排,1達(dá)到改善光束質(zhì)量的目的圖4旋轉(zhuǎn)重排原理圖多棱鏡陣列如圖5所示，使用時(shí)把LDA結(jié)與小棱鏡一一對(duì)應(yīng)。這些棱鏡將每條子光束旋轉(zhuǎn) 90°,從第1cdChn Anfcnr ImtmI ElwlronK hMMiM, I tow:. All ripto nMm<個(gè)棱鏡入射的光束在相鄰的第2個(gè)棱鏡出圖5多棱鏡列陣排列圖853 激 光 技 術(shù)2003年8月射,故棱鏡數(shù)目比LDA結(jié)多2個(gè)。單個(gè)斜棱鏡的作用如圖6所示。兩個(gè)平行面nl和n是全等

11、的底角為45°的等腰梯形，兩個(gè)平行面c2和p以及面cl和c3E是銳內(nèi)角為tan-1(1/2的平行四邊形。面 nl和n2與面p和c2垂直,c 1, 和2 c 3介面互成60°, 面nl與c 1, n與c3分別成45°的夾角。光束與nl成0°入射，依次分別在c 1, 和 c3上反射，被旋轉(zhuǎn)90°后，從 n2面垂直出射1994-2010 Chiu Audenjc Joumal ElHdroabc 訕liahim Houk. AH ri|Jni nHamexL helium ww cnklnct圖6單個(gè)斜棱鏡作用示意圖同GRIN陣列相比，多棱鏡陣列中4

12、個(gè)附加光學(xué)面和3個(gè)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變量，其功率密度提高了大約18倍。2.4 雙反射鏡整形技術(shù)（t w o 2mirror beam 2shapingtech niq ue5英國Southampton大學(xué)光電研究中心的Clark 2son等人提出了采用兩個(gè)高反平面鏡來實(shí)現(xiàn)快慢兩個(gè)方向上光束質(zhì)量因子的均衡，而亮度只略微降低。它將光束按照鏡間錯(cuò)位距 離分割，分段重排，加工和調(diào)整都比較簡(jiǎn)便。其工作原理如圖7所示,整形裝置結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，把兩面高反射率的鏡子很近（相距 d地平行放置，且在x和y方向上相互錯(cuò)開一些，這樣每個(gè)鏡子都有一小部分未被對(duì) 方擋住而形成了光束

13、整形的入射和出射孔。平面鏡表面垂直于圖所在平面。假設(shè)1束在x 2z面和y 2z面的激光以與x ' 2面和y ' 2面成0 x和0 y斜入射到反射鏡B 未被擋住的部分。把入射光束看作相鄰的一系列子光束組成，其中，光束1從A的上部和B的旁邊穿過，沒有改變傳播方向地出射。光束 2從A上部穿過后碰到B上， 入射到B上并被B反射到A上，光束2緊隨光束1后入射到A上,沿光束1的方向 出射且合并于光束1中，其它光束同樣經(jīng)數(shù)次反射后沿光束1的方向出射，比光束1略低一些。該整形器實(shí) 際上就是將入射光束分割成子光束并改變子光束的方向和位置使它們互相重疊出 射?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)d , 0 x '

14、, 0 y '而達(dá)到均衡M x 2和M y 2目的6 I圖7平面鏡整形技術(shù)這種方法能有效地除掉LDA兩個(gè)相鄰節(jié)之間的死區(qū)，可以提高亮度。亮度的提高依賴于發(fā)光區(qū)的寬度和死區(qū)寬度的比率。 但是由于非發(fā)光區(qū)造成光束質(zhì)量 M x2變大和由于光纖透鏡準(zhǔn)直過程中的削波損耗 造成M y 2變大，以及光束在整形器中傳播時(shí)相鄰光束某些部分發(fā)生了重疊，從每個(gè)節(jié)出來的光束傳播到焦點(diǎn)的光程有些差別等原因，對(duì)亮度的提高有一定影響。2.5 階梯反射鏡整形（a pair of step 2mirrors6德國夫朗和費(fèi)激光技術(shù)所的杜可明等人發(fā)明的階梯鏡是一種有效平衡兩個(gè)方向 光束質(zhì)量的方法。采用階梯反射鏡將光束按照鏡

15、面尺寸分割，旋轉(zhuǎn)重排。該整形裝置是由兩組完全相同的階梯反射鏡構(gòu)成，每組都由N個(gè)高反射率表面 組成，如圖8所示。第1組階梯鏡每個(gè)鏡面都繞慢軸傾斜 45。,相鄰的鏡面在沿光束 傳播方向上相距一常數(shù)d （等于單個(gè)鏡面的寬度。第2組階梯鏡與之類似，且兩組階 梯鏡的鏡子都一一相對(duì)。當(dāng)準(zhǔn)直光束入射到第1組階梯鏡反射面上時(shí)，會(huì)被這些鏡面沿慢軸分割為N份，每個(gè)子光束經(jīng)過第2微型階梯反射鏡，再被反射到快軸方向 上。原本是一條線狀的光束就在同一高度上沿慢軸方向被重新排列為平行的N條子光束。整形結(jié)果光場(chǎng)分布為一正方形光斑，在光傳播方向上光場(chǎng)分布接近均勻分 布Ao圖8階梯反射鏡原理圖減少階梯鏡寬度，增加重組光束的填充

16、因子可953第27卷 第4期郭明秀 激光二極管光束整形技術(shù)提高聚焦光的亮度。這種方法能得到兩個(gè)方向光束質(zhì)量相差很小的高效的光 束。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊堅(jiān)固，階梯鏡對(duì)調(diào)整和“smile”不敏感，整個(gè)系統(tǒng)機(jī)械元件易于集成 不需要昂貴的元件，靈活性好。2.6微片棱鏡堆線光束整形器7中科院上海光機(jī)所的陸雨田等人提出了微片棱鏡堆整形技術(shù)，加工和調(diào)整非常 簡(jiǎn)單，為國內(nèi)唯一能夠依據(jù)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)提供大功率 LDA單光纖耦合輸出模塊的單 位。該方法采用微片棱鏡堆將光束按照微片的寬度分割 ，旋轉(zhuǎn)重排,最后所得光斑類 似于圖2中的P 3和P 4。CT 1微片棱鏡堆由許多片很薄的等腰三角棱鏡組成，如圖9所示。每個(gè)薄片都繞自

17、己的一條底棱旋轉(zhuǎn)45°，然后將它們依次排列在一起。平行于底棱的入射光線在上折射后進(jìn)入棱鏡，接著在底面c2上產(chǎn)生全內(nèi)反射后傳向面，并經(jīng)折射后從3 射。分布在與2面夾角為B的平面內(nèi)入射的光束，經(jīng)過底面2的反射將被旋轉(zhuǎn)2 B分布在與2面夾角為-B平面內(nèi)。繞底棱旋轉(zhuǎn)45°的薄棱鏡片正好把入射光束旋轉(zhuǎn) 90°,變成 沿垂直面分布的光束出射。因此，微片棱鏡堆可以把入射光束分割成許多小段，并使 原來沿水平方向分布的每一小段都在其原來的位置上旋轉(zhuǎn) 90。,并沿豎直方向分布并 在同一高度上排成一行，改變了兩個(gè)方向上的拉格朗日不變量O圖9微片棱鏡堆示意圖利用微片棱鏡堆整形專利技術(shù)，已

18、經(jīng)研制成功808nm和940nm的單光纖（600卩m/900卩耦合輸出大功率半導(dǎo)體激光泵浦源模塊，總體耦合效率不低于50%, 價(jià)格低于國外同類商品。2.7棱鏡組折反射光束整形方法1美國的Apollo Instruments公司最近提出了幾種高效的光束整形方法，其中一些 還創(chuàng)造了亮度的最高記錄。其整形思想利用由棱鏡組組成的光束整形器中的棱鏡組 的折反射將LDA光束在慢方向上按照微鏡尺寸分成許多段后在快方向重排，結(jié)果光束的拉格朗日不變量在慢方向上被減小 n倍，而快方向上增加n倍,原理如圖6。該方法重排光斑較好，能大大提高LDA光束質(zhì)量, 易于實(shí)現(xiàn),結(jié)構(gòu)調(diào)整簡(jiǎn)單，微鏡數(shù)不受LDA節(jié)數(shù)限制。其中，一種

19、典型的方法是通過兩組棱鏡來分割和重排LDA光束。第1組n個(gè)棱鏡用來將LDA光束在慢方向分割成n部分后，第2組n個(gè)棱鏡用來在快方向上將分 割后的n部分光束重排列。棱鏡組把LDA的出射光束沿慢方向分割，并沿快方向重 新排列，從而改善了拉格朗日不變量。既用到了棱鏡的反射也用到了折射特性。如 圖10,兩組棱鏡中，各片棱鏡以斜邊為基準(zhǔn)，依次按一定間距錯(cuò)位放置，光束在不同位 置被截成一段段的。第1個(gè)棱鏡組把出射光束沿慢方向分割成一組光束段，這組光 束從棱鏡組斜邊入射，入射表面的線光源與棱鏡組的內(nèi)表面成一定的角度 ，在各片棱 鏡中反射兩次后從斜邊出射，并沿著慢軸方向被分成很多段，由于棱鏡片有錯(cuò)位，所以 出射

20、光束段也順次產(chǎn)生錯(cuò)位。然后出射光進(jìn)入第2個(gè)棱鏡組，被重新排列輸出。結(jié)果從LDA出射的光被整形成一個(gè)光斑，兩個(gè)方向上的拉格朗日不變量相近。用兩組 光楔（或折射棱鏡進(jìn)行光束分割和重排也可得到與 P5一樣的光斑圖10兩組棱鏡光束整形這種方法只要將每一片棱鏡對(duì)準(zhǔn)一個(gè)發(fā)光源就可消除LDA不連續(xù)對(duì)光束質(zhì)量的影響，比較成功地解決了光束整形的質(zhì)量問 題。3各種整形方法的發(fā)展過程及比較在LD的大部分應(yīng)用中丄D都和光纖或光纖束耦合成一體，其一是光纖柔軟易彎曲，激光可以方便靈活地通入到窄小空間；其二 是光纖耦合可以改善輸出光束的質(zhì)量，同時(shí)采用多光纖集束使輸出功率得到相對(duì)于 單管數(shù)十倍的提高，且光束傳輸過程中發(fā)散對(duì)稱

21、性不變。其耦合方式有兩種：（1將陣列中發(fā)出的光輸入光纖陣列中，然后并束；（2先將LDA發(fā)出的光束用專門的整形器 整形，使得快慢兩個(gè)方向光束質(zhì)量接近，然后耦合到一根光纖里。最典型、最簡(jiǎn)單的光束整形方法是用柱面透鏡把LDA光束聚焦進(jìn)光纖束中，然后將光纖束排成圓063 激 光 技 術(shù)2003年8月形通過單光纖輸出。因?yàn)閺腖DA出射光的模式與光纖的模式無法匹配以及光 纖陣列的填充因子受限，這種耦合技術(shù)得不到高亮度的光，但因其簡(jiǎn)單、易操作，所以 仍然是一種很常用的光束整形技術(shù)。另一種簡(jiǎn)單的改善LDA光束形狀的方法是使用面陣列。這是一種可替代光纖 束的方法，成本很低。將若干個(gè)帶有準(zhǔn)直透鏡的 LDA疊加在一

22、起，用一個(gè)柱透鏡將 慢方向的發(fā)散角進(jìn)行準(zhǔn)直，再用一個(gè)普通照相用的透鏡聚焦。面陣列在快方向上拉 格朗日不變量增加了，而慢方向卻沒變，因此最后光束形狀離圓形還差得很遠(yuǎn)。此外 發(fā)光區(qū)之間的熱沉占據(jù)了一定的空間，從而限制了光亮度。目前所采用的顯著提高光束質(zhì)量最有效的整形方法是用較復(fù)雜的光束整形器對(duì) 光束分割旋轉(zhuǎn)重排，融合了整形和準(zhǔn)直兩部分，重排后易被聚焦成圓點(diǎn)。目前，國內(nèi)外 競(jìng)相開展了 LDA光束整形技術(shù)的研究，陸續(xù)提出了一些較好的整形方法。國外已能夠?qū)⒋蠊β蔐DA耦合進(jìn)400卩m的光纖，整體效率達(dá)到70%以上，商品化的光纖（600卩m耦合輸出大功率LDA模塊的整體效率可達(dá)50%以上;而國內(nèi)由于技術(shù)、

23、材料、工藝基礎(chǔ)等多方面的原因，這方面的技術(shù)相對(duì)落后一些，已能 將大功率LDA耦合進(jìn)600卩m的光纖，整體效率大于50%。表1對(duì)各種整形方法做了一個(gè)簡(jiǎn)單的比較。表1各種整形方法比較整形方法效率光斑優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)光纖轉(zhuǎn)換器62%（未耦合進(jìn)光纖0.9mm簡(jiǎn)單、易操作得不到高亮度的光漸變折射率透鏡陣列整形86%較早提出按LDA節(jié)準(zhǔn)直思想光束質(zhì)量不均衡多棱鏡陣列整形 76%（未耦合進(jìn)光纖200卩m較早提出光束切割 旋轉(zhuǎn)重排列整形思想光學(xué)面太多增加了加工調(diào)整難度雙反射鏡整形75%（未耦合進(jìn)光纖100卩m能有效地除掉LDA非 發(fā)光區(qū)，可提高亮度加工調(diào)整難度大階梯反射鏡整形 71%40Q m系統(tǒng)易于集成，不需昂貴的元件，調(diào)整要求低階梯鏡表面加工較難微片棱鏡堆線光束整形器>50%600 m填補(bǔ)了國內(nèi)空白效率偏低棱鏡組折反射光束整形>70%600卩m重排列光斑較好，亮度高加工調(diào)整難度大4結(jié)論過去，從LD出射的光不能在高功率密度條件下被非常精確地聚焦，這就限制了 LD的一些應(yīng)用。隨著光束整形技術(shù)的提出可以預(yù)見今后LD應(yīng)用有更廣闊的前景。文獻(xiàn)1 Wang Zh J ,Gheen A Z ,Wa ng Y et al .Optical coupli ng system fora high 2power diode 2pumped solid state laser.U S Pate nt ,6,37