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第19卷 第12期强激光与粒子束Vol.19,No.12 2007年12月HIGH POWER L ASER AND PAR TICL E B EAMS Dec.,2007 文章编号: 100124322(2007)1221951204采用多波长光束组合改善二极管激光阵列的光束质量3刘 波, 张 雪, 赵鹏飞, 李 强(北京工业大学激光工程研究院,北京100022) 摘 要: 基于多波长光束组合技术,利用光栅的衍射和外腔的反馈,将二极管阵列的发光单元锁定在不同的波长上,相邻单元的出射光波长有微小的差异。
从外腔耦合镜输出近似平行的光束,其光束质量等同于单个发光单元的光束质量,而组合光束亮度随着组合光束个数定标放大。
实验中采用发光单元宽度为100μm 、填充因子为0.5、由49个单元构成的1cm 阵列获得功率为2.39W 的输出光束,其光谱宽度为27nm ,远场光斑的直径为0.08mm ,对应的远场发散角为1.2mrad ,其光束质量因子约为28,与单个发光单元的光束质量相当。
关键词: 二极管激光阵列; 光谱光束组合; 多波长光束组合; 衍射光栅; 光束质量 中图分类号: TN248 文献标识码: A 二极管激光阵列(DL A )以其体积小、效率高、成本低、寿命长等优点,广泛应用于材料加工、医疗、自旋交换光泵浦、泵浦固体激光器和光纤激光器等领域。
但是DL A 固有的光束质量差、相干性差的缺陷严重地限制了其进一步应用。
目前,商用DL A 输出光束在快轴方向的光束质量因子M 2接近于1,在慢轴方向的光束质量因子M 2超过2000[1],自由运转时的光谱峰值半宽一般为2～3nm 。
大功率二极管激光阵列通过改善输出光的光束质量,获得近衍射极限的输出光束,可直接作为系统的光源,其应用范围必将大大扩展。
采用光束整形[223]的方法可以改善DL A 的光束质量,但是这种方法是依靠均衡快慢轴的光参数积来改善光束质量,不能得到近衍射极限的输出光束。
光束整形方式的原理和应用光束整形是一种通过特定的光学元件来调整光束的形状和分布的技术。
其原理通常基于反射、折射、散射、吸收等光学效应。
光束整形的原理主要基于以下几种方法：1. 透镜：透镜可以通过改变光束的聚焦、散焦和分布属性来实现光束整形。
常见的包括凸透镜和凹透镜，它们可以改变入射光束的弯曲程度和分布。
2. 棱镜：棱镜的作用是改变光束的方向和折射角度，从而实现光束整形。
通过选择合适的棱镜形状和折射率，可以实现光束的偏转、分离和聚焦。
3. 光栅：光栅是一种具有周期性结构的光学元件，通过改变光栅的周期和方向，可以对光束进行周期性调制和分布控制。
光栅可以用于光束分光、光束合束和光束整形等应用。
4. 光波导：光波导是一种通过改变光的传播路径和介质分布来实现光束整形的元件。
常见的光波导包括光纤和波导板，它们可以通过调整光的导模器式和波导结构来实现光束的整形和分布控制。
光束整形在许多应用领域中都有广泛的应用，其中包括但不限于：1. 激光加工：光束整形可以用于调整激光束的形状和分布，从而实现对材料的精确加工和切割。
例如，通过光束整形可以将激光束聚焦成小的点状光斑，用于微细加工和雕刻。
2. 光通信：光束整形可以用于优化光纤通信系统中的光束耦合和传输特性，从而提高通信质量和效率。
通过光束整形可以减小光纤之间的耦合损耗和信号失真。
3. 显示技术：光束整形可以用于调整和控制显示器中的光源，从而实现图像的均匀亮度和分辨率。
例如，在投影仪中使用光束整形可以实现对光源的聚焦和对光线的分布控制。
4. 生命科学：光束整形可以用于生物医学成像和激发荧光等应用。
通过调整光源的形状和分布，可以实现对生物样品的精确照射和成像。
总之，光束整形是一种通过调整光束的形状和分布来实现光学控制的技术，具有广泛的应用前景。
光束整形方式的原理和应用1. 引言光束整形是一种常用的光学技术，主要用于控制光束的形状、尺寸和分布。
本文将介绍光束整形的原理和在不同领域中的应用。
2. 光束整形的原理光束整形主要通过光学器件来改变光束的传播特性。
以下是几种常用的光束整形方式：•透镜整形：透镜是用于集束和发散光束的常见光学器件。
凸透镜可用于集束光束，使其变得更加聚焦和密集。
凹透镜则可用于发散光束，使其变得更加散开和扩散。
•掩膜整形：掩膜是一种具有特定孔径和形状的光学器件。
通过选择不同形状和大小的孔径，可以控制光束的形状和尺寸。
•光栅整形：光栅是一种光学器件，具有具有一系列平行的条纹或孔径的结构。
光栅通过衍射和干涉的原理，可以对光束的相位和振幅进行调整，从而改变光束的形状和分布。
3. 光束整形的应用光束整形在许多领域中都有广泛的应用。
以下是几个常见的应用领域：3.1 激光加工光束整形在激光加工中起着关键作用。
通过调整光束的形状和分布，可以实现对材料的精确加工和切割。
例如，使用透镜整形可以将光束聚焦到非常小的区域，提高加工的精度和效率。
3.2 光通信光束整形在光通信中也扮演着重要角色。
通过控制光束的形状和分布，可以优化光信号的传输和接收效果。
例如，使用掩膜整形可以调整光束的角度和方向，减少光信号的衰减和失真。
3.3 医学影像在医学影像领域，光束整形可以用于改善医学图像的质量和清晰度。
通过调整光束的聚焦和散射特性，可以获得更准确的医学影像结果。
特别是在激光扫描显微镜和光学相干断层扫描成像等高分辨率成像技术中，光束整形起着至关重要的作用。
3.4 激光打印光束整形也被广泛应用于激光打印技术中。
通过控制光束的形状和强度分布，可以实现对打印质量和速度的优化。
例如，使用光栅整形可以调整激光束的相位和振幅，从而实现高分辨率的激光打印效果。
4. 结论光束整形是一种重要的光学技术，它可以改变光束的形状、尺寸和分布。
在激光加工、光通信、医学影像和激光打印等领域中，光束整形都发挥着关键作用。
文章编号:100123806(20030420357205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,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:AThe technology of laser diode beam shapingGuo 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 ,200233Abstract :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。
用于半导体激光器的棱镜整形方法半导体激光器是一种常用的光学器件，其具有小体积、低功耗和高效率的特点，广泛应用于光通信、医疗器械、激光打印等领域。
在实际应用中，为了获得更好的激光光束质量和调节激光光束的形状，需要对激光光束进行整形。
棱镜整形方法是一种常用的激光光束整形方法，本文将详细介绍该方法的原理、优缺点以及应用案例。
棱镜整形方法是指通过在激光器输出光束前放置一组棱镜，通过棱镜的折射、反射和总反射等效应，实现所需光束的整形。
具体来说，棱镜整形方法可以将初始的高斯光束转换为扁平、或者圆形、或者其他形状的光束。
棱镜整形方法的优点之一是可以灵活调节光束的形状。
通过选择适当的棱镜形状、尺寸和排列方式，可以实现对光束的精确调节。
例如，使用准直棱镜可以将初始的激光光束变为平坦的光束，适用于一些需要平行光束的应用场合；使用聚焦棱镜可以将初始的激光光束聚焦为较小的尺寸，适用于高精度的激光切割和焊接等应用。
此外，棱镜整形方法还可以提高激光器的光束质量。
由于激光器输出的光束往往会因为自发辐射或其他因素的干扰而失去高斯光束的良好性质，棱镜整形方法通过调整光束角度、形状和尺寸，可以改善光束的光学质量。
这对于一些对光束质量要求较高的应用非常关键。
然而，棱镜整形方法也存在一些缺点。
首先，由于棱镜在光束传输中也会吸收和散射部分光能，因此会损耗部分能量，导致激光器的输出功率降低。
其次，棱镜整形方法对光束的整形效果依赖于棱镜的材料和制造工艺，因此需要对棱镜进行精密加工和表面处理，增加了生产成本。
另外，棱镜整形方法对光束的整形效果也会受到温度、压力和湿度等环境因素的影响。
最后，棱镜整形方法在实际应用中有许多成功的案例。
例如，在光通信领域，使用棱镜整形方法可以将激光光束整形为扁平的横截面，以适应光纤传输的需求；在医疗器械领域，使用棱镜整形方法可以将激光光束聚焦成较小的尺寸，用于眼科手术等高精度治疗过程。
此外，棱镜整形方法还广泛应用于激光打印、激光切割、激光焊接等领域，为这些应用提供了高质量的激光光束。
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。
大功率激光二极管阵列光束整形技术综述
孔媛媛
【期刊名称】《电子科技》
【年(卷),期】2006(000)001
【摘要】大功率激光二极管阵列相对于其他同等功率水平的传统激光器有很多突出的优点,但由于其输出光束质量差,影响了它的直接应用,因此大功率激光二极管阵列的光束整形技术成了人们关注的一个热点问题,该文介绍了光束整形的原理并对近年来商业中常用的光束整形技术进行了分析评估.
【总页数】4页(P56-59)
【作者】孔媛媛
【作者单位】西安电子科技大学技术物理学院,陕西,西安,710071
【正文语种】中文
【中图分类】TN248.4
【相关文献】
1.非对称折射型微透镜阵列对高功率二极管激光器的光束整形 [J], 崔锦江
2.一种用于大功率激光二极管阵列的温度控制电路 [J], 李龙骧;王亮;刘芳;李刚;杨爱粉
3.激光二极管光束整形技术 [J], 郭明秀;沈冠群;陆雨田
4.大功率LD阵列光束整形技术研究 [J], 孔媛媛;曾晓东;安毓英
5.大功率激光二极管阵列正向特性研究 [J], 杨红伟;张世祖;陈玉娟;家秀云
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文章编号:100123806(20030420357205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,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:AThe technology of laser diode beam shapingGuo 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 ,200233Abstract :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 的主要特点是高效、稳定、结构简单,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 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;而慢方向上的光束质量则极差(M2>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1.1LDA 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,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1LDA 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月激光技术LASER TECHNOLO GYVol.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,可形成光束重排方式P 2且能像P 1一样地提高光束质量,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 convertingf 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,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个棱镜出图5多棱镜列阵排列图853激光技术2003年8月射,故棱镜数目比LDA 结多2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 2shapingtechnique[5]英国Southampton 大学光电研究中心的Clark 2son 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。
其工作原理如图7所示,整形装置结构很简单,把两面高反射率的镜子很近(相距d 地平行放置,且在x ′和y ′方向上相互错开一些,这样每个镜子都有一小部分未被对方挡住而形成了光束整形的入射和出射孔。
平面镜表面垂直于图所在平面。
假设1束在x 2z 面和y 2z 面的激光以与x ′2z ′面和y ′2z ′面成θx ′和θy ′斜入射到反射镜B 未被挡住的部分。
把入射光束看作相邻的一系列子光束组成,其中,光束1从A 的上部和B 的旁边穿过,没有改变传播方向地出射。
光束2从A 上部穿过后碰到B 上,入射到B 上并被B 反射到A 上,光束2紧随光束1后入射到A 上,沿光束1的方向出射且合并于光束1中,其它光束同样经数次反射后沿光束1的方向出射,比光束1略低一些。
该整形器实际上就是将入射光束分割成子光束并改变子光束的方向和位置使它们互相重叠出射。
可通过调节d ,θx ′,θy ′而达到均衡M x 2和M y 2目的。
图7平面镜整形技术这种方法能有效地除掉LDA 两个相邻节之间的死区,可以提高亮度。
亮度的提高依赖于发光区的宽度和死区宽度的比率。
但是由于非发光区造成光束质量M x 2变大和由于光纤透镜准直过程中的削波损耗造成M y 2变大,以及光束在整形器中传播时相邻光束某些部分发生了重叠,从每个节出来的光束传播到焦点的光程有些差别等原因,对亮度的提高有一定影响。
2.5阶梯反射镜整形(a pair of step 2mirrors[6]德国夫朗和费激光技术所的杜可明等人发明的阶梯镜是一种有效平衡两个方向光束质量的方法。
采用阶梯反射镜将光束按照镜面尺寸分割,旋转重排。
该整形装置是由两组完全相同的阶梯反射镜构成,每组都由N 个高反射率表面组成,如图8所示。
第1组阶梯镜每个镜面都绕慢轴倾斜45°,相邻的镜面在沿光束传播方向上相距一常数d (等于单个镜面的宽度。
第2组阶梯镜与之类似,且两组阶梯镜的镜子都一一相对。
当准直光束入射到第1组阶梯镜反射面上时,会被这些镜面沿慢轴分割为N 份,每个子光束经过第2微型阶梯反射镜,再被反射到快轴方向上。
原本是一条线状的光束就在同一高度上沿慢轴方向被重新排列为平行的N 条子光束。
整形结果光场分布为一正方形光斑,在光传播方向上光场分布接近均匀分布。
图8阶梯反射镜原理图减少阶梯镜宽度,增加重组光束的填充因子可953第27卷第4期郭明秀激光二极管光束整形技术提高聚焦光的亮度。
这种方法能得到两个方向光束质量相差很小的高效的光束。
系统结构紧凑坚固,阶梯镜对调整和“smile ”不敏感,整个系统机械元件易于集成,不需要昂贵的元件,灵活性好。
2.6微片棱镜堆线光束整形器[7]中科院上海光机所的陆雨田等人提出了微片棱镜堆整形技术,加工和调整非常简单,为国内唯一能够依据自主知识产权提供大功率LDA 单光纤耦合输出模块的单位。
该方法采用微片棱镜堆将光束按照微片的宽度分割,旋转重排,最后所得光斑类似于图2中的P 3和P 4。
