激光光束整形的设计和研究3

·综合评述·激光光束的整形技术林　勇,胡家升(大连理工大学电子与信息工程学院,大连　116024)提要:本文简要概括了激光光束整形技术的发展和研究现状。

就几种典型的光束整形技术,如非球面透镜组整形、微透镜阵列整形、衍射光学元件整形、双折射透镜组整形、液晶空间光调制器和圆锥镜等整形技术作了分类评述和讨论。

介绍了各种整形的技术特点和实现方法,指出了这些整形技术尚待解决的一些问题,并展望了它们的可能应用领域和发展前景。

关键词:光束整形;高斯光束;强度分布均匀化,长焦深中图分类号:TN248.1 文献标识码:A 文章编号:0253-2743(2008)06-0001-04Laser beam shaping techniquesLIN Yong ,HU Jia -sheng(S c hool of Electronics and Information Engineering ,D alian Univers ity of Technol ogy ,Dalian 116024,China )Abs tract :The development and the pres ent s tat us of laser beam s haping are summarized in this paper .Several t ypical techniques ,including the aspheric l ens -es ,the lenslet array ,the diffractive optical elements ,the birefringent l enses ,the liquid crystal spatial light modulator and the axicon ,are commentated .The characteristic and realization of each method is introduced ,existing proble ms in us e are dis cuss ed ,and pros pects are predicted .K ey words :beam shaping ;Gauss ian beam ;intensit y distri bution uniformization ;l ong focal depth收稿日期:2008-10-25作者简介:林勇(1976-),男,黑龙江七台河人,博士研宄生,主要从事衍射光学元件设计与应用方面的研究。

光束整形方式的原理和应用光束整形（beam shaping）是通过改变光束的空间分布和/或光强分布来控制光束的形状和性质的技术。

在光束整形中，我们可以通过使用透镜、反射器、光波导等光学元件来改变光束的传播性质。

光束整形技术具有广泛的应用，包括激光加工、医学诊断、通信和光学成像等领域。

本文将介绍光束整形的原理和一些常见的应用。

光束整形的原理基于光学元件对入射光线的调控。

通过选择透镜的曲率和形状，可以将光束聚焦为点状、线状或是任意形状的分布。

透镜的曲率半径越小，聚焦效果越好。

透镜的不同曲率和形状还可以使光束具有不同的球差、色差和像差等特性。

反射器能够改变光线的方向，例如平面反射镜、曲面反射镜和光学棱镜等，可以将光束进行反射、折射和偏转。

光束整形技术中常用的一种方法是使用光波导，它能够将光束限制在一个特定的空间内，从而有效地改变光束的形状和传播特性。

光束整形技术在激光加工中具有重要的应用。

通过调整激光的光束形状和分布，可以实现对工件的精密加工。

例如，在激光切割领域，通过将光束整形为线状分布，可以获得更高的切割速度和更小的切割缝隙。

在激光焊接过程中，通过改变光束的分布和形状，可以实现对焊接接头的精确控制和调整焊接深度。

此外，在激光打标和激光雕刻中，光束整形技术可以通过调整光斑的形状和密度，实现对打标图案和刻印细节的控制。

光束整形技术也在医学领域中得到了广泛应用。

在激光治疗中，通过光束整形可以精确照射到患者体内的特定组织，从而实现对肿瘤和其他疾病的治疗。

光束整形技术还可以用于眼科手术中，例如激光角膜矫正手术中，通过调整激光的分布和形状，可以实现对角膜曲率的调整，从而改善近视、远视和散光等视力问题。

除了医学和激光加工领域，光束整形技术还在光学通信中得到了广泛应用。

在光纤通信中，光束整形可以用于精确定位和调整入射光束的聚焦效应，从而提高光纤的传输效率和数据传输速率。

光束整形技术还可以用于无线通信中，通过改变光束的形状和分布，可以实现对光信号的调制和解调，从而实现高速、稳定和精确的通信。

光束质量整形与质量诊断研究作者：刘海勇许丽萍来源：《电子技术与软件工程》2015年第09期摘要几十年来激光光束质量的整形技术与质量评价方法不断丰富扩充，先进的技术和科学的方法为激光光束质量提供了更为有效的保障。

本文针对半导体激光器，总结论述了其光束质量整形与质量评价的方法和技术，旨在为相关工作提供参考借鉴。

【关键词】半导体激光器激光光束质量整形质量评价自上个世纪七十年代以来，半导体激光器被广泛应用于科研、工业等领域，具有轻巧、高效、稳定的优点，尤其是高功率半导体激光器的泵浦产生的光纤激光光束质量好、功率大，受到了越来越多的关注。

然而半导体激光器才存在内在的缺陷，限于其工作原理，产生的激光水平、垂直方向的光束质量存在很大差异，束腰位置不一致，平行于p-n结方向的慢轴方向光束质量差，这极大的制约了半导体激光器的应用，必须采取有效的整形技术解决这一问题，满足接收元件对光束质量的要求。

下文将详细介绍半导体激光器光束质量的整形与评价方法。

1 半导体激光器光束质量整形方法新世纪以来，为了更好的满足信息社会信息传输、处理、存储的需求，半导体激光器向高速宽带、大功率、短波长等方向发展，并已取得了一系列成果。

激光技术的应用中光束质量至关重要，无论是医学临床应用，还是军事应用、工业应用，都对光束质量要求较高，光束质量直接影响激光器性能的发挥，更影响到应用的水平和范围。

基于半导体激光器光束质量差、功率密度低的考虑，必须采油切实有效的整形技术来加以改善。

半导体激光器光束整形系统的关键在于慢轴光束质量的改善和快轴光束的准直，光束整形的基本原理是切割、旋转、重排光束，减小慢轴上的光参数积，来平衡快慢轴的光参数积，并借助微柱透镜等手段来调整快轴光束保证准直。

现今存在的整形技术种类繁多，下文将列举较为先进、常用的技术方法，分析其原理和特点。

1.1 光纤转换器技术光纤转换器是最为简单的一种光束整形技术，其技术原理是用光学阵列分割光束，光纤靠近半导体激光器的一端按线阵列另一端按束状排列。

激光雷达系统中的光束整形器设计与鲍威尔棱镜模拟方法的应用激光雷达系统在自动驾驶、无人机导航和测量领域中得到广泛应用。

光束整形器和鲍威尔棱镜模拟方法是激光雷达系统中的关键技术。

本文将重点探讨光束整形器设计和鲍威尔棱镜模拟方法在激光雷达系统中的应用。

光束整形器设计光束整形器是激光雷达系统中用于调整激光束形状和聚焦的装置。

光束整形器的设计对激光雷达系统的性能至关重要。

以下是一些常用的光束整形器设计方法：1. 透镜设计：使用透镜来调整激光束的形状和聚焦程度。

透镜的曲率和材料的选择会影响激光束的聚焦效果。

2. 反射镜设计：使用反射镜来改变激光束的传播方向和形状。

反射镜的几何形状和表面特性可以根据需要进行设计。

3. 光纤耦合技术：将激光束通过光纤耦合器输入到激光雷达系统中。

光纤的直径和折射率会影响激光束的传输效率和形状。

鲍威尔棱镜模拟方法的应用鲍威尔棱镜模拟方法是一种常用的激光雷达系统建模和仿真方法。

通过使用鲍威尔棱镜模拟方法，可以更好地理解和预测激光雷达系统的性能。

以下列举了一些鲍威尔棱镜模拟方法的应用：1. 系统性能评估：通过建立激光雷达系统的模型，可以评估系统在不同场景下的探测性能、定位精度和目标识别能力。

2. 算法优化：通过对激光雷达系统进行建模和仿真，可以对激光雷达数据处理算法进行优化和改进，提高系统的工作效率和准确性。

3. 比较分析：通过模拟不同类型的激光雷达系统，可以比较它们在不同场景下的性能差异，为选择合适的激光雷达系统提供参考依据。

通过光束整形器设计和鲍威尔棱镜模拟方法的应用，可以优化激光雷达系统的性能和功能，提高自动驾驶、无人机导航和测量等领域的应用效果。

以上是关于激光雷达系统中光束整形器设计和鲍威尔棱镜模拟方法应用的简要介绍。

这些技术的发展和研究将进一步推动激光雷达系统在各个领域的应用和创新。

《大功率半导体激光器光束整形研究》半导体激光器由于特殊的结构，造成远场发散角在快轴（垂直于PN结方向）方向和慢轴（平行于PN结方向）方向极不对称，也就是说半导体激光器的远场光场不是圆对称，通常可以表示为I(θx,θy)=I0e−2[(θxαx)2G x]+(θyαy)2G y（1）式中I0是光轴上的光强，αx是ｘ轴方向光强降为光轴光强I0的1/e2时的角度，αy是ｙ轴方向光强I0降为光轴光强的1/e2时的角度；G x、G y沿ｘ方向和沿ｙ方向的超高斯因子，如果是高斯光束，超高斯因子G x、G y为1，超高斯因子越大的激光光束，远场分布越均匀。

半导体激光器的发散角定义为峰值光强I0—半处的全角宽度θefhm，对于基模高斯光束有αx=√2ln⁡(2)（2）半导体激光器快轴方向的发散角θ⊥可以表示为：θ⊥≈ 4.05(n2̅̅̅̅2−n1̅̅̅̅2)d/λ1+[4.05(n2̅̅̅̅2−n1̅̅̅̅2)/1.2](d/λ)2（3）其中λ是激光波长；n1̅̅̅是限制层折射率；d是有源区厚度；n2̅̅̅是激光器有源区折射率。

半导体激光器有源层很薄，只有1微米左右，即d很小，可以忽略，上公式可以改写为θ⊥≈4.05(n2̅̅̅̅2−n1̅̅̅̅2)dλ（3）由上式可知，θ⊥和d成正比，。

当有源区厚度与波长可比拟时，并且还工作在基横模时，可以忽略（2）中的1，而近似为：θ⊥≈1.2λd（4）该式说明有源区厚度在一定的范围内，横向光场具有良好的高斯光束特点。

在此范围内，θ⊥随d的增加而减小，符合光的衍射理论。

一般情况下，半导体激光器快轴方向远场分布为高斯分布，因此在模拟和设计中超高斯因子G x设定为1。

大功率半导体激光器的慢轴宽度W很宽，通常在百μm量级，其发散角θ∥较小，当慢轴方向宽度较小，激光在慢轴方向横模还处于基膜工作状态，此时平行于结平面的发散角可表示为：θ∥≈λW，当慢轴宽度W小于基模最小宽度时，激光器处于横向基膜工作状态，当W大于基膜最小宽度时，激光器处于横向多模工作状态；例如红光激光器基膜最小宽度一般在3μm左右，此时θ∥约为12.4°，当W小于这一宽度是，发散角随着W的变小而变大；当W 大于基模最小宽度时，可理解为激光器横模上有多个基模在工作，并重合在一起。

高功率半导体激光器光束整形的设计和实现吴政南;谢江容;杨雁南【摘要】为了使线阵半导体激光器光束能更好应用于激光远程无线电力传输,设计了基于光楔-曲面镜-棱镜组的线阵半导体激光束整形系统,采用数值计算方法,取得了系统中各元件的参量及理论整形效果.在此基础上加工出实物元件,搭建整形系统.实验中测得整形后的激光光斑尺寸为9.9cm×9.6cm,能量均匀度为68.9％,系统能量传输效率为71.3％,光束质量可满足接收端的光电池对激光空间均匀性的要求.最后分析了仿真系统与实验系统间产生差异的原因.结果表明,该系统可同时实现激光束阵列快轴和慢轴方向的扩束与准直,并能够调节输出光斑的形状及光强均匀度,且采用光学元件数量较少.光电池组件是激光无线电力传输过程的关键元件,该设计对激光转换效率的研究有较重要的实用价值.%In order to make the laser beam of linear-array semiconductor laser be better used in laser remote wireless power transmission,a linear-array semiconductor laser beam shaping system based on the set of optical wedges,curved mirrors and prisms was designed.The parameters of components in the system and the theoretical shaping results were derived by numerical calculation.After then the realistic components were processed and the experimental shaping system was built.The experimental results were that the laser spot size after shaping was 9.9cm×9.6cm,energy uniformity was 68.9％,and energy transfer efficiency was 71.3％.The beam quality could meet the requirement of light cell at receiving end for laser space uniformity.The reason of the difference between the simulated and experimental system was analyzed.The results show that the system can simultaneously realizethe expanding and collimation of laser beam array along fast axis and slow axis.The system can also adjust the shape and the uniformity of outputlight spot with less optical components.Light cell components are the key processes of laser wireless power transmission.The study has great practical value for laser conversion efficiency.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2017(041)003【总页数】5页(P416-420)【关键词】光学设计;光束整形;线阵半导体激光器;光楔-棱镜-曲面镜组【作者】吴政南;谢江容;杨雁南【作者单位】南京航空航天大学应用物理系,南京 211100;南京航空航天大学应用物理系,南京 211100;南京航空航天大学应用物理系,南京 211100【正文语种】中文【中图分类】TN202基于激光为能量传送载体的激光无线电力传输技术是近十几年来发展起来的一项高新技术。

高功率激光器的使用技巧与光束整形调节方法激光技术作为一种高度聚焦、高能量密度的能源，已经在各个领域中发挥着重要的作用。

而在许多应用中，高功率激光器是不可或缺的工具。

然而，使用高功率激光器并非易事，一些技巧和方法的灵活运用相当关键。

同时，为了使激光能够更好地适应不同应用场景，光束整形调节也是十分重要的。

首先，我们来探讨一些高功率激光器的使用技巧。

使用激光器时，我们首先要确保操作者的安全。

由于高功率激光器蕴含着较高的能量，防护措施至关重要。

操作人员在使用高功率激光器时应佩戴适当的个人防护设备，如护目镜或者防护面具，以避免激光照射对眼睛造成伤害。

其次，合理的激光器使用环境也是必不可少的。

在激光器使用过程中，需要提供稳定的电力供应和低噪声的环境。

高功率激光器通常要求较大的电能，因此稳定的电力供给是保证其正常运行的前提。

对于工业应用而言，还需要保证在使用激光器时不影响其他机械设备的运行，并且减少环境噪音的干扰。

另外，高功率激光器在使用过程中，还需要注意激光照射的光路径和光束的稳定性。

由于激光是一种高度聚焦的能量，激光器使用者应该仔细调整光路，使之尽量保持平稳。

需要检查激光束是否与其他光学元件相互对准，确保光束质量的最大利用。

同时，尽量避免发生光束的散射现象，以免影响到激光器的功率传输。

在高功率激光器的使用过程中，光束整形调节也是非常重要的。

光束整形是指对激光器输出的光束进行控制和调节的一种方法。

通过合理的光束整形，可以使光束具有更合适的形状和特性，以适应不同领域中的应用需求。

一种常见的光束整形方法是使用透镜进行焦聚。

透镜可以将激光束聚焦，使其通过变换焦距来改变光束的流向和孔径。

这样就可以根据具体需要使光束形状更加稳定和集中，提高激光器的功率和效果。

除了透镜，还有其他的光束整形方法，如光栅衍射、光纤耦合和棱镜组合等。

光栅衍射可以改变光束的波长和方向，通过选择适当的光栅参数，可以将光束进行特定角度的衍射，实现对光束形状的控制。

方法及优缺点
1二元光学元件：
根据要求输出的光束结构确定整形器件的复振幅反射率或复振幅透过率调制函数，进行材料选择，确定三位结构，用见算计进行微图形结构设计，使用光刻技术及微精细加工制作出二元光学器件。

优点：
具有衍射效率高，光斑轮廓可调的特点
缺点：
理论设计衍射光学元件都要进行复杂且费时的计算机运算。

还有整形元件的生产制造商还受一些加工技术条件的限制。

2光楔xx聚焦光学系统：
由列阵将入射激光分割成若干个子束，然后让这些子束在靶面上重叠起来，光束的分割和子束的叠加消除了入射激光光强分布不均匀性的影响，实现了对罢免的均匀辐照。

优点：
：该系统很好的解决了多模激光束的整形问题。

它对入射光束强度分布不敏感，因此该方法特别适合光场强度分布不规则、相干性差的准分子激光器的整形。

缺点：
透镜的边缘要发出菲涅尔衍射，所以能量有损失。

此外，由于通过子波的叠加产生均匀照明，因此不可避免地在靶面产生干涉斑纹，影响整形效果。

3液晶空间光调制器：
通过液晶分子的旋光偏振性和双折射性来实现对入射光束的波面振幅和相位的调制。

在外电场的作用下液晶分子指向会发生改变，改变量大小与外加电压有关。

优点：
一种实时，可调控的光束空间整形新方法，可方便获得所需形状的近“平顶”光强分布的近场光束。

缺点：
激光损失阈值较低，仅适用于高功率激光系统前级。

4xx透镜组：
优点：
灵活方便，可以随着光束参数的变化灵活改变其透过率函数
缺点：
双折射透镜组的加工制作比较困难。

对入射激光的能量分布要求比较高，必须的高斯分布。