基于ZEMAX的激光光束整形技术试验研究

由于半导体激光器的发散角较大且输出的光束光斑是椭圆形,因此需要对其输出的光束进行空间整形,形成一个近似圆形的激光光斑。激光扩束镜就是一种比较简单且非常方便的激光光束整形器件,本文将激光扩束镜作为一个激光整形系统与半导体激光器耦合,形成一个完整的激光光束整形系统。利用ZEMAX光学仿真,并进行室外试验验证,最后对试验结果进行了分析。     

半导体激光阵列光束整形技术研究进展

光束整形作为提高半导体激光阵列光束质量的有效手段,近年来得到了人们越来越多的关注。综述了几种典型的半导体激光阵列整形技术,详细介绍了近年来半导体激光光束整形的最新进展,分析了各种整形方法的技术特点,总结了半导体激光阵列整形技术的发展趋势。     

新型矿用激光指向仪的设计

在新型矿用激光指向仪的设计过程中,根据仪器设计指标要求,首先采用新型半导体激光器、倒置的高倍率望远系统,设计了激光指向仪准直光路系统,利用双透镜望远准直系统将半导体激光器发出的椭圆形高斯光束进行整形,提高准直精度。然后利用Pro/E软件对壳体组、镜筒组等部件进行了三维机械设计。设计结果表明,仪器结构合理,外形美观,小型轻便。最后,对激光指向仪的误差源进行了理论分析和计算,理论分析与实测数据基本相符,满足设计要求。     

808nm千瓦级高效大功率半导体激光光源

提出了一种新型光束整形技术,该技术通过平行平板玻璃堆实现光束的分割、平移、重排,从而改善半导体激光的光束质量.该试验采用自主设计的中心波长为808 nm,连续输出功率为60 W/bar,填充因子为30 %,具有19个发光点,每个发光点尺寸为1μm×135μm的20层半导体激光叠阵,通过望远镜系统对慢轴方向进行扩束后用一...     

同轴单棱镜整形研究

半导体激光器广泛地应用在国防、商业、工业等领域,对其光学准直是一项重要的工作。介绍一种新的半导体激光整形系统——同轴单棱镜整形系统,详细地叙述了单棱镜的设计原理。与其它整形系统比较,该棱镜具有设计、加工和装调简单等优点,最大的优点还能保证光束同轴。最后以一个θ⊥×θ∥=25°×11°半导体激光器为例子,设计一个2.5×单棱镜同轴整形系统,通过软件模拟计算与实际计算结果比较,结果基本相符,证明了设计方法的正确性。     

激光加工用半导体激光器的光束变换

考虑不同的激光加工方式对激光功率密度和激光光斑尺寸的要求不同,研究了如何通过调整光路设计实现各种尺寸的聚焦光斑输出,使半导体激光器满足不同激光加工方式的需求.利用ZEMAX光学设计软件模拟半导体激光光路,包括光束整形、准直、聚焦等光束变换方式,实现了多种尺寸的光斑输出.实验中采用16个bar叠加而成的980 nm半导体激光叠阵,阈值电流为6.4A,最大工作电流为84.8A,最大输出功率为1 280 W,总的电-光转换效率为58.9％.准直后快轴的发散角小于4 mrad,慢轴的发散角小于20 mrad.通过实验对该激光叠阵进行光束整形和扩束准直、聚焦,最终实现了功率为1 031 W的激光输出,聚焦镜焦距为300 mm时的聚焦光斑尺寸达1.2 mm×1.5 mm,功率密度达3.8×104 W/cm2,可以用于金属的表面重熔、合金化、熔覆和热导型焊接.     

基于ZEMAX的流式细胞仪光束整形系统研究

光束整形技术是流式细胞仪中的关键技术之一,针对这一难点,提出了一种以弥散圆半径作为优化函数的基于ZEMAX的流式细胞仪光束整形系统研究方法,分析并计算了光束整形系统的相关参数,推导了非球面整形技术成像理论,并针对双柱透镜光束整形系统进行了仿真和优化设计,设计了实物模型,搭建了实验系统,对此设计的可行性进行了验证。结果表明,本方法可在保证激光光斑成形的前提下,简单、快速、全面直观地实现光束整形系统的优化设计,减小了细胞偏移中心线带来的误差,从而提高了光强的利用率和分辨率。     

808nm和980nm半导体激光迭阵波长耦合技术

为提高半导体激光器输出光功率,可将多个半导体激光器输出光束耦合成一束激光直接输出或者由光纤耦合输出,以提高半导体激光源的亮度及光束质量.本文采用波长耦合技术进行激光合束,将两种不同波长的半导体激光束通过非相干技术经波长耦合器件耦合输出以实现大功率高效率输出.介绍了非相干耦合技术中波长耦合原理及关键技术,根据波长需要设计了耦合器件,并自行设计光学系统对光束进行扩束聚焦.实验将808 nm和980 nm两半导体激光迭阵光束通过上述技术进行合束, 最终实现了更高功率输出,耦合效率达70%,光斑大小为3 mm×3 mm,可满足将半导体激光器直接应用于熔覆、焊接等场合的要求.     

10kW连续输出半导体激光熔覆光源

针对于目前国内半导体激光加工熔覆光源主要依赖于国外进口的局面,研制了连续输出功率达10kW的半导体激光熔覆光源。利用ZEMAX光学设计软件模拟半导体激光光路,包括光束整形、准直及聚焦透镜的设计等。实验中采用2只波长为915nm和2只波长为976nm的半导体激光叠阵,通过偏振合束和波长合束技术实现它的合束。由自行设计的聚焦系统进行了聚焦实验,结果显示,当模块工作电流为122A时,光源最大输出功率为10 120 W,电-光转换效率为46%,在工作面的聚焦光斑为2.5mm×18mm,可满足工业中大面积高速激光熔覆和表面热处理的要求。     

880nm半导体激光器列阵及光纤耦合模块

为了使半导体激光泵浦Nd∶YVO4固体激光器能获得大功率、高光束质量、线偏振的激光输出,利用PICS3D软件设计了InGaAs/GaAs应变量子阱结构,制作了发射波长为880 nm的大功率半导体激光器列阵。该激光器列阵激射区单元宽为100μm,周期为200μm,填充因子为50%,激光器列阵CS封装模块室温连续输出功率达60.8 W,光谱半高全宽(FWHM)为2.4 nm。为进一步改善大功率半导体激光器列阵的光束质量,增加半导体激光端面泵浦功率密度,采用阶梯反射镜组对880 nm大功率半导体激光器列阵进行了光束整形,利用阶梯镜金属表面反射率受近红外波长变化影响小的特点,研制出高稳定性、大功率光纤耦合模块。模块输出功率为44.9 W,光-光耦合效率达73.8%,尾纤芯径Φ为400μm,数值孔径(NA)为0.22。     

半导体激光阵列合束技术的研究

综述了几种典型的半导体激光阵列合束方法,介绍了近年来半导体激光光束合成的最新进展,分析了各种合成方法的技术特点,总结了半导体激光阵列合束技术的发展趋势.研究发现光谱合束技术的输出光束光强分布不随阵列单元数而变化,且在远场和近场均能保持较好的叠加,大大提高了远场光束的亮度,有望成为未来半导体激光光束合成的重要发展方向.     

半导体泵浦激光器在选区激光熔化工艺中的应用研究

选区激光熔化是新出现的能直接成型致密性接近100%终端金属产品的快速成型技术,该技术对成型能量源的要求严格。半导体泵浦激光器具有电光转换效率高、性能可靠、体积小巧、使用寿命长、输出光束质量好等优点。本文分析了选区激光熔化工艺对能量源的选用要求,对将半导体侧向泵浦Nd押YAG激光器应用于选区激光熔化工艺的可行性进行了评估,并通过实验进一步验证了评估结果。     

半导体激光鼓膜造孔术的光学系统设计

设计并研制了一套可在视频监控和红光指示下实施半导体激光鼓膜造孔术的光学系统.首先,利用光束整形和波长合束技术将半导体激光单管出射的650 nm激光和半导体激光列阵出射的810 nm激光耦合到芯径为200 μm,数值孔径为0.22的光纤中;然后,利用消色差透镜准直光纤出射的双波长激光,再利用另一个消色差透镜将光束聚焦到耳鼓膜上,该聚焦镜可通过机械部件沿光轴方向移动,从而调节鼓膜上光斑的大小;成像部分则直接使用商用视频耳镜;热反射镜用于使激光和成像光同轴.手术时,根据显示器上的红色指示光斑确定造孔位置.测量结果显示:该系统出光孔处的激光功率在0～13.3 W间连续可调,造孔直径在1～3mm内连续可调.使用本系统可缩短手术时间,减少并发症;儿童患者手术时无需全身麻醉.另外,该系统还具有整机体积小、重量轻、电光转换效率高等优点.     

基于532nm半导体激光器的远距离传输准直实验分析

由于半导体激光器发出的光束发散角度较大,并且是不对称的(在垂直的两个方向上发出光束的发散角度不同)。因此,在用它来做一些实际的应用时,通常需要准直或再聚焦系统来进行校正。扩束镜因其结构简单、材料便宜以及加工容易而在半导体激光束准直领域获得较多的应用。文中就是在利用半导体激光器进行远距离目标瞄准的应用背景之下,采用扩束镜与532nm半导体激光器衔接的方法对出射的激光光束进行准直,以达到一定的技术参数要求。     

基于半导体激光短阵列的976 nm高功率光纤耦合模块

采用12只出射波长为976 nm的传导冷却半导体激光短阵列为发光单元,研制出了百瓦级高功率光纤耦合模块.首先,利用光束转换器(BTS)和柱透镜对每只半导体激光短阵列进行光束整形,使得快慢轴方向光束质量接近并且发散角相同;然后,应用空间合束技术将每6只半导体激光短阵列在垂直方向上叠加,形成一个激光组,并利用偏振分束器(PBS)将两个激光组偏振合束;最后利用优化设计的三片式聚焦镜将激光耦合到光纤中.实验结果表明:该光纤模块的连续输出激光功率可达418.9 W,光纤芯径仅为400 μm,数值孔径(NA)为0.22,由此可得到激光亮度为2.19 MW/(cm2·str).利用Matlab软件分析光纤出射的光束形貌为平顶分布,显示其适合用于金属材料的硬化和焊接等领域.最后测量了模块的光谱,电流从20 A增加到50 A时,激光的峰值波长漂移了6.8 nm,并且在50 A时光谱宽度为4.12nm,表明该光纤耦合模块散热良好.同其它类型激光器相比,本激光模块电光转换效率和出光功率高,适用于材料加工和泵浦光纤激光器等领域.     

808nm980nm半导体激光迭阵波长耦合技术

随着半导体激光器在工业、军事、核能等领域的广泛应用,单个半导体激光迭阵的光功率已经不能满足实际需求,这就要求将多个半导体激光器耦合成一束激光,可直接输出或者由光纤耦合输出,以提高半导体光源亮度及光束质量。文章通过采用波长耦合技术进行激光合束,将两种不同波长的半导体激光束通过非相干技术经波长耦合器件耦合输出以实现大功率高效率输出,便于满足工业加工需要。介绍了非相干耦合技术中波长耦合原理及关键技术,根据波长需要设计耦合器件,并自行设计采用光学系统对光束进行扩束聚焦,通过实验将808nm和980nm两半导体激光迭阵光束通过此技术进行合束, 最终实现更高功率输出,耦合效率70%,光斑大小为3×3mm2,目前国内没有对此项技术进行研究。     

《半导体激光泵浦全固体激光技术》专题文章导读

半导体激光作为泵浦源的全固体激光器具有体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好、寿命长和光束质量高等优点，是近几年激光技术研究的热点。通过非线性光学频率变换技术，即通过对全固体激光器基频光的倍频、和频、差频，参量变换以及拉曼频移等技术，原则上可把全固体激光的波长范围扩展到从深紫外到远红外的整个波段。由于连续工作的半导体激光泵浦全固体激光器基频光的输出功率较低，在半导体激光泵浦全固体激光器中普遍采用激光谐振腔内高功率密度来获得高转换效率的腔内非线性频率变换技术。     

大功率半导体激光器应用的若干问题研究

主要致力于探索半导体激光及其泵浦的固体激光器在实际应用中的推广，具体包括：半导体激光的热稳定、波长稳定性及功率稳定性；激光二极管列阵多光束组合式光学耦合系统；端面泵浦各向异性介质的热效应模型；半导体泵浦的输出损耗电光调制的多功能激光技术。     

波导光束整形系统的理论研究

为了进行矩形波导光束整形系统的设计研究,利用Zemax软件模拟了部分端面抽运板条激光器波导光束整形系统光束整形过程,该系统能够将抽运光束整形成满足激光器要求的线形抽运光束.理论分析表明:矩形平面波导在整形系统中起到了至关重要的作用,波导长度变化对光强分布的均匀化有影响,矩形平面波导存在临界长度.     

高斯光束整形系统的光学设计

研究了真实光线追迹优化光学系统的方法以简化高斯光束整形系统的光学设计.理论分析了高斯光束整形原理,并选择超洛伦兹函数作为平顶光分布函数;根据能量守恒原理,推导了高斯光束整形系统中任意光线在入射面与出射面的坐标变换关系.针对该系统的特点,使用Zemax编程语言(ZPL)编写计算坐标变换的ZPL宏指令,并优化设计了高斯光束...