激光二极管光束整形技术

第’*卷第(期

激光技术

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文章编号：!""!#$%"&（’""$）"(#"$)*#")

激光二极管光束整形技术

郭明秀!沈冠群’陆雨田!

（!中国科学院上海光学精密机械研究所，上海，’"!%""）

（’上海市激光技术所，上海，’""’$$）

摘要：阐述了对+,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：-.’(%/(

文献标识码：0

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引言

!7!894光束整形技术的原理

激光二极管+,（H38;GA6<A;）及其阵列+,0（H38;G

的主要特点是高效、稳定、结构简单，可A6<A;3GG3F）

制成小体积全固化器件。广泛应用于+,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。

其光束质量在垂直+,由于其特殊的工作原理，

与平行于?#4结两个方向上相差很大。通常把垂直于?#4结方向称为快方向，平行于?#4结方向称为慢方向。快方向上的光束接近衍射极限（$’!!），发散角大；而慢方向上的光束质量则极差（$’P

，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+,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必须采用光束出。因此，+,要获得更广泛的应用，

整形方法，解决光束质量差、功率密度低的问题。

假设1为光源的尺寸，&为所在!为其发散角，

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.Q1R!R&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但通常也可采用拉格朗日不变量来表$’来表征，

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+,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。

关键技术!光束整形技术的原理、

图!

+,0光束重组的几种结果

作者简介：郭明秀，女，!O*)年!!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。

［!］

图!表示光束重排的几种结果（S!TS(）。D10是+,0发光区排列方式。采用按微镜分割时，

万方数据收稿日期：收到修改稿日期：’""’#!’#!O；’""$#"!#’’

即在光束分+,0的发光区排列可看成像D1一样，

月

割中不用考虑节数、结间距!"，光束分割数不受

因此，可形成光束重排方式$%且!"#节数的限制，

能像$&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。&!%

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。

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主要的光束整形技术

光纤转换器（"#$%&’(&)*$+"%,($-%.’#$/

［%］

0#)%.）

最简单的光束整形技术当属光纤转换器，瑞士

伯尔尼大学（’()*+,-)./012+,(+）应用物理所的34)(5+(等人在!"#端面泵浦的6578!9调#激光器中采用了这一技术。其原理如图%，采用光纤阵列将光束按!"#横模进行分割，将光纤在靠近!"的一端排成线阵列，

另一端则人为排成束状。

图多棱镜列阵排列图

万方数据

第#?卷第$期郭明秀激光二极管光束整形技术’%.

用如图!所示。两个平行面!"和!#是全等的底角为$%&的等腰梯形，两个平行面"#和#以及面""和

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的平行四边形。面!""’都是锐内角为()*（

",和!#与面#和"#垂直，""，"#和"’’个面互成!-&，面!"与""，!#与"’分别成$%&的夹角。光束与!"成-&入射，依次分别在""，被旋转"#和"’上反射，

从!#

面垂直出射。.-&后，

图3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

万方数据

提高聚焦光的亮度。这种方法能得到两个方向光束

-’4激光技术&44-年5月

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“!"#$%”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。&!’

［(］

微片棱镜堆线光束整形器

向上增加!倍，原理如图’。该方法重排光斑较好，能大大提高)*+光束质量，易于实现，结构调整简单，微镜数不受)*+节数限制。

其中，一种典型的方法是通过两组棱镜来分割和重排)*+光束。第2组!个棱镜用来将)*+光束在慢方向分割成!部分后，第&组!个棱镜用来在快方向上将分割后的!部分光束重排列。棱镜组把)*+的出射光束沿慢方向分割，并沿快方向重新排列，从而改善了拉格朗日不变量。既用到了棱镜的反射也用到了折射特性。如图24，两组棱镜中，各片棱镜以斜边为基准，依次按一定间距错位放置，光束在不同位置被截成一段段的。第2个棱镜组把出射光束沿慢方向分割成一组光束段，这组光束从棱镜组斜边入射，入射表面的线光源与棱镜组的内表面成一定的角度，在各片棱镜中反射两次后从斜边出射，并沿着慢轴方向被分成很多段，由于棱镜片有错位，所以出射光束段也顺次产生错位。然后出射光进入第&个棱镜组，被重新排列输出。结果从两个方向上的拉)*+出射的光被整形成一个光斑，格朗日不变量相近。用两组光楔（或折射棱镜）进行光束分割和重排也可得到与,0

一样的光斑。

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)*+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&中的,-和,.。

微片棱镜堆由许多片很薄的等腰三角棱镜组成，如图/所示。每个薄片都绕自己的一条底棱旋转.01，然后将它们依次排列在一起。平行于底棱的入射光线在!2上折射后进入棱镜，接着在底面!&上产生全内反射后传向!-面，并经折射后从!-出射。分布在与!&面夹角为"的平面内入射的光束，经过底面!&的反射将被旋转&分布在与!&面夹"，角为3"平面内。绕底棱旋转.01的薄棱镜片正好把入射光束旋转/41，变成沿垂直面分布的光束出射。因此，微片棱镜堆可以把入射光束分割成许多小段，并使原来沿水平方向分布的每一小段都在其原来的位置上旋转/41，并沿竖直方向分布并在同一高度上排成一行，改变了两个方向上的拉格朗日不

变量。

图24两组棱镜光束整形

这种方法只要将每一片棱镜对准一个发光源，就可消除)*+不连续对光束质量的影响，比较成功地解决了光束整形的质量问题。

-图/

微片棱镜堆示意图

各种整形方法的发展过程及比较

在)*的大部分应用中，)*都和光纤或光纤束

利用微片棱镜堆整形专利技术，已经研制成功（’44耦合输出5456"和/.46"的单光纤"7/44"）!!大功率半导体激光泵浦源模块，总体耦合效率不低于048，价格低于国外同类商品。&!(

［2］

棱镜组折反射光束整形方法

耦合成一体，其一是光纤柔软易弯曲，激光可以方便灵活地通入到窄小空间；其二是光纤耦合可以改善输出光束的质量，同时采用多光纤集束使输出功率得到相对于单管数十倍的提高，且光束传输过程中发散对称性不变。其耦合方式有两种：（2）将阵列中发出的光输入光纤阵列中，然后并束；（&）先将)*+发出的光束用专门的整形器整形，使得快慢两个方向光束质量接近，然后耦合到一根光纤里。

最典型、最简单的光束整形方法是用柱面透镜把)*+光束聚焦进光纤束中，然后将光纤束排成圆形通过单光纤输出。因为从)*+出射光的模式与

美国的+9:$$:;6!<=>"%6<!公司最近提出了几种

高效的光束整形方法，其中一些还创造了亮度的最高记录。其整形思想利用由棱镜组组成的光束整形器中的棱镜组的折反射将)*+光束在慢方向上按照微镜尺寸分成许多段后在快方向重排，结果光束

万方数据的拉格朗日不变量在慢方向上被减小而快方!倍，

第,’卷第$期郭明秀激光二极管光束整形技术M)+

光纤的模式无法匹配以及光纤阵列的填充因子受限，这种耦合技术得不到高亮度的光，但因其简单、易操作，所以仍然是一种很常用的光束整形技术。另一种简单的改善!"#光束形状的方法是使用面阵列。这是一种可替代光纤束的方法，成本很低。将若干个带有准直透镜的!"#叠加在一起，用一个柱透镜将慢方向的发散角进行准直，再用一个普通照相用的透镜聚焦。面阵列在快方向上拉格朗日不变量增加了，而慢方向却没变，因此，最后光束形状离圆形还差得很远。此外，发光区之间的热沉占据了一定的空间，从而限制了光亮度。

目前所采用的显著提高光束质量最有效的整形

表+

整形方法

光纤转换器

渐变折射率透镜阵列整形多棱镜阵列整形双反射镜整形阶梯反射镜整形

微片棱镜堆线光束整形器棱镜组折反射光束整形

效率

（未耦合进光纤）),(/)(

（未耦合进光纤）’)(

（未耦合进光纤）’*(’+(0*%(0’%(

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方法是用较复杂的光束整形器对光束分割旋转重排，融合了整形和准直两部分，重排后易被聚焦成圆点。目前，国内外竞相开展了!"#光束整形技术的研究，陆续提出了一些较好的整形方法。国外已能够将大功率!"#耦合进$%%整体效率达&的光纤，!

到’%(以上，商品化的光纤（)%%耦合输出大功&）!率!"#模块的整体效率可达*%(以上；而国内由于技术、材料、工艺基础等多方面的原因，这方面的技术相对落后一些，已能将大功率!"#耦合进)%%&!的光纤，整体效率大于*%(。表+对各种整形方法做了一个简单的比较。

各种整形方法比较

优点

简单、易操作

较早提出按!"#节准直思想

较早提出光束切割旋转重排列整形思想能有效地除掉!"#非发光区，可提高亮度系统易于集成，不需昂贵的元件，调整要求低填补了国内空白重排列光斑较好，亮度高

缺点

得不到高亮度的光光束质量不均衡光学面太多增加了加工调整难度加工调整难度大阶梯镜表面加工较难效率偏低加工调整难度大

光斑%-.&&

$结论

6>46G<AH9FI>AI9G<B&<9ICA@>IC=2=9@2C9F-JKL2=93=，)，M’’，$+%-,%%,G%$G,M-［,］8F2EN6，（+)）：O2@&9F7P-;<=!9==，+..M，+/+M+’Q+M+.-［M］:2&24B?6>K，（$）：R&2>S-RPPP7TP，+..,，,/++%+Q++%*-［$］:2&24B?6>K，（/）：UAV2D2C6>N，K2>=A:!"#$-;<=!9==，+..*，,%/./

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利：5!..+,$%+.-,%%%G%*G+’-

过去，从!"出射的光不能在高功率密度条件下被非常精确地聚焦，这就限制了!"的一些应用。

随着光束整形技术的提出，可以预见今后!"应用有更广阔的前景。

参

考

文

献

［+］1234567，86993#5，1234:!"#$-;<=>?2@?AB<@>34CDC=9&EAF2

简讯

利用纳米粒子设计硅基发光二极管

尽管硅的非间接带隙使它不能按常规方法来制造发光二极管，但全世界的科研小组都试图合作解决这个问题，希望最终能生产硅基发光二极管以及其它一些可以大批量生产的光电材料，就像如今大批量生产集成电路一样。,%%M年+月,*号到M+号在加州圣琼斯举行的西部光电研讨会上，来自台湾大学的科学家为大家阐述了他们的两个想法（尽管这两个方法都还没有生产出有效的发光体）。一个方案是，将直径为/3&银移进纳米Q+,3&的K>;,纳米粒子层放置在背面为电镀铝层和前面为镀银层之间的硅上。放至电场之后，

但仍可以通过直径为+&&的器件看到近似激发光的现象，其光谱显示粒子层。尽管效率仅仅是+-*Z+%[$，

了谐振峰值。另外一个方案是，将悬空的*3&大小的硫化镉粒子固定于硅底层之上（室温下抽真空，使微粒位置固定），在*’+3&处发光，光谱的\1SY为,.3&，效率近似为+%[*。

（蒋

锐

叶大华

供稿）

万方数据

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hc3m.html