波前分割DOE阵列半导体激光器光束的品字形整形

半导体激光器（LD）输出光束受工作电流、个体差异的影响,发散角、输出光强出现波动。常规衍射光学元件（DOE）的激光光束整形设计只针对特定的输入输出光场,使用宽容度比较小。文中在LD 的整形中利用DOE 阵列化的处理,输入光场被分割成许多小单元,不同强度的光重新在成像平面内预定的区域内叠加,实现对光束的整形。用均匀平面波设计阵列DOE 每个单元,把高斯分布的球面波整形成品字形光强分布,衍射效率为90.53%,均匀性大约为96%;发散角在快、慢轴方向上2~16的范围内变化,均匀性为95.8%以上、衍射效率为90%以上;在离焦量16 m 内,光束质量变化不大。阵列DOE 提高了LD 光束整形系统的稳定性。     

基于衍射/反射光束整形系统的高密度泵浦源

利用二元光学元件微型化和对波面进行任意整形的特点,将二元光学衍射器件用于高功率激光二极管阵列光束的快、慢轴准直,并结合空心导管设计一种衍射/反射混合型光束整形系统,用于实现高密度、高均匀性LD泵浦源.应用时域有限差分法(FDTD)的严格矢量分析表明:所设计的二元光学准直器性能优良,准直后光束发散角在误差范围内接近衍射极限,慢轴方向衍射效率为82.21%,快轴方向为75.76%.模拟设计的结果表明:采用这种衍射/反射光束整形技术的高密度泵浦源能获得高功率密度和高均匀性的抽运光束,在空心导管出射端面附近光强起伏RMS<1%,并且在光束的准直性能和系统紧凑性方面优于传统整形方法.     

复眼透镜在激光二极管阵列光束整形中的应用

在回顾复眼透镜对单光束光源的均匀化机制基础上,分析了复眼透镜对激光二极管(LD)阵列光源的光束均匀化机制。即对子光束分割叠加破坏相似性,对所有分割叠加后的子光斑进行叠加获得均匀性。在此基础上,以抽运薄片或者板条激光器需要高功率密度的均匀抽运光为需求,设计了基于复眼透镜的LD阵列光束整形系统,并给出了其中复眼透镜和积分透镜这两个关键部件的结构形式和相关参数。最后根据所设计的复眼透镜LD光束整形系统搭建了相应的实验光路并测试了整形后光斑不均匀性,测试表明不均匀性为9.8%,验证了对复眼透镜LD阵列光束整形的分析。     

基于微透镜阵列的半导体激光器堆栈匀化系统

半导体激光器由于自身波导结构的不对称性导致光强分布不均匀而限制了其应用,为了对半导体激光光束进行整形以获得均匀光斑,设计了一种基于微透镜阵列的半导体激光器堆栈匀化系统。分析了微透镜阵列对半导体激光的匀化原理和光束匀化过程,通过分析微透镜边缘衍射对匀化光斑影响确定了微透镜孔径范围,采用近轴矩阵光学推导了目标光斑发散角。结合实例对微透镜阵列光束匀化系统进行了仿真和实验验证,实现了均匀性为91.89%的均匀光斑。     

激光二极管抽运正交波罗棱镜腔光学参量振荡激光器

将正交波罗棱镜谐振腔应用于激光二极管(LD)抽运的光学参量振荡(OPO)激光器,实现了Ⅱ类非临界相位匹配KTP晶体的内腔式光参量振荡,获得了高机械稳定性、高热稳定性和较高光束质量的1.57μm人眼安全激光输出.正交波罗棱镜腔存在腔内振荡光束线偏振运行条件,匀化了内腔OPO的抽运光光场.正交波罗棱镜腔OPO激光器解决了内腔式光参量振荡信号光输出不稳定,以及腔内光功率密度较高容易引起光学损伤等工程应用难题.器件采用热传导冷却半圆柱面LD阵列侧向抽运Nd:YAG抽运几何,在20 Hz运行条件下获得平均脉冲能量86 mJ,脉冲宽度5.4 ns,光束发散角5 mrad.能量稳定性优于±2.5%,光-光转换效率(808 nm→1570 nm)9%的优异性能.     

基于硅基液晶实现激光投影显示系统匀光整形和散斑抑制

激光投影显示通常需要解决光束整形匀化和散斑抑制的问题。基于此,提出利用硅基液晶(LCoS)空间光调制器(SLM)同时解决上述问题的方法。利用衍射光学元件(DOE)精细化设计思想设计所需整形DOE的相位分布,可以同时较好地控制采样点与采样点以外的光场强度分布,将圆形高斯分布照明激光束整形成平顶矩形光场;在不同的初始相位条件下,设计得到的多幅DOE生成具有相同强度分布、不同相位分布的衍射图样。当SLM依次调制出这些衍射图样,通过时间积分将这些衍射图样相叠加,不仅可以进一步提高光斑均匀性,同时还可以抑制散斑。仿真结果表明,通过叠加16幅衍射图样,该方法可使照明光斑均匀性从74%提高到92.57%,屏幕上图样散斑对比度由0.991减小为0.2508。该方法稳定性高,能耗低,且所用器件尺寸小,为微投影显示结构设计提供了有益参考。     

基于离散抽样加密算法的衍射光学元件设计

为满足浸没式光刻照明系统对掩模面高均匀性和不同照明模式的要求,对照明系统中的照明模式变换器进行了研究。采用衍射光学元件（Diffractive Optical Elements,DOE）来产生各种照明模式,从光栅结构出发,经两步变换分析了光栅转变为DOE的过程。并提出一种离散抽样加密算法,以抽样线宽1~5 m的四极照明DOE为例,揭示了DOE特征尺寸、衍射效率和光强分布非均匀性的实际对应关系。设计结果表明:随着抽样线宽的减小,整形光束的衍射效率和均匀性将得到较大提高。利用接触式光刻工艺完成了特征尺寸为1.76 m1.76 m的16台阶照明模式变换DOE的制作,通过搭建光学测试平台对不同照明模式下DOE的光强非均匀性和衍射效率进行了测试,结果满足设计要求,验证了离散抽样加密算法能够有效指导照明模式变换系统DOE的设计。     

LD阵列封装误差对空心导管均匀性的影响

为了提高空心导管激光二极管(LD)抽运耦合系统的性能,采用理论分析和ZEMAX仿真模拟的方法研究了LD阵列封装误差对空心导管抽运耦合系统均匀性的影响.研究发现,当LD阵列中子光束经过空心导管后分割和叠加次数越多时,光束指向误差对空心导管的均匀性影响越小.在此基础上提出了空心导管LD抽运耦合系统的设计中对LD阵列光束准直的原则.结果表明,根据实际情况决定LD阵列中快慢轴方向准直后发散角的大小,以保证快慢轴方向的光束经过空心导管后能够有适当的反射和叠加次数,从而实现较高的耦合效率和抗LD阵列封装误差影响的能力.该研究可用于指导该类空心导管LD抽运耦合系统的设计.     

设计实现轴向强度调制的衍射相位元件

由于衍射相位元件可以灵活地控制光波波前，故被广泛地应用于光学系统中．到目前为止，衍射相位元件较多地用于光场横向分布的控制，如光束整形、阵列发生器等。但是，轴向光强控制在实际应用中也很重要，设计具有不同轴向光强调制功能的衍射相位元件已引起了大家的注意。我们采用共轭梯度法设计了多种衍射相位元件，可以实现各种轴向强度调制，例如，多重焦点，正弦状周期调制的轴向光强分布，以及赝无衍射光束。共轭梯度法是一种非统性最优化方法．在衍射相位元件的设计中，由于输出面的相位是自由变量，因而衍射相位元件的设计问题可以归…     

千瓦级高光束质量半导体激光线阵合束光源

低光束质量严重限制了大功率半导体激光器的应用,为了满足日益增长的工业和国防领域应用需求,发展兼具高功率和高光束质量激光输出的半导体激光光源具有重要意义。采用线阵合束方式集成20个传导热沉封装半导体激光单元,结合斜45°柱透镜阵列整形方法和准直技术,直接均衡激光束快慢轴方向的光斑和发散角,通过波长合束和偏振合束,研制出一种可实用化、连续输出功率1030W、快慢轴方向光参量积分别为18.3mm.mrad和17.7mm.mrad、最大电-光转换效率44%的808nm和870nm双波长半导体激光合束光源,实现了高效率、高功率和高光束质量激光输出,可作为直接光源应用于工业和国防领域。     

LD抽运直角棱镜腔电光调Q固体激光器

为了改善在热传导冷却非均匀抽运条件下,热效应引起的光束质量和输出稳定性的下降,采用了半圆柱面LD阵列结合直角棱镜谐振腔结构,获得高稳定性、高光束质量的激光输出.所研制的样机在重频20Hz工作,单脉冲能量75mJ,光轴漂移量小于0.1mrad,远场发散角2.2mrad,输出稳定性≤3%.     

大功率LD阵列光束整形技术研究

提出一种新的大功率LD阵列的光束整形方案，首先使预准直的光束在快轴方向分层，然后使其在慢轴方向重新排列，最终在输出端得到高亮度的矩形光斑。详细讨论了方案的工作原理和设计方法，利用几何光学方法计算了输出光斑的尺寸，并用光参数积（BPP）对整形后光束质量作了评估。数值计算结果表明，该整形方法明显改善了大功率LD阵列的光束质量。     

全息波导显示中输出扩展光栅的衍射效率分布分析

对于全息波导显示系统,为获得连续的输出光瞳而引入的半透半反膜,会在波导中形成阶跃形光强分布,与阶跃形强度分布相匹配的输出光栅衍射效率须为阶跃形分布,这样才能获得均匀的衍射输出强度。为保证衍射角带宽内所有光线均有较佳的输出强度均匀性,提出了一种连续递增的衍射效率分布光栅模型。建立了基于对阶跃形衍射效率分布的分段加权平均和二次曲线拟合的优化计算模型,计算得到了衍射效率分布曲线,并由衍射效率分布曲线计算得到衍射角带宽内不同视场光束的输出光强分布。结果表明,输出光强位置均匀性最小为52.4%,出瞳内角度均匀性达到84.9%。随着分束膜层数的增加,波导阶跃形光强差将会减小,可获得更好的输出强度均匀性。     

线性阵列逆向调制器反射光强测试实验研究

为了分析逆向调制器的反射光场和反射光强的变化规律,利用532nm激光照射逆向调制器阵列,测试得到了离焦量、入射角变化时的逆向调制器的反射光场和反射光强,得到了阵列调制器反射光强与单个逆向调制器反射光强关系。测试结果表明,一定范围的正离焦使反射光束发散角变小,反射光能量聚焦度好,负离焦相反。入射角使反射光场发生畸变,反射光强与入射角成反比。离焦量为0或负离焦时,阵列调制器的反射光强是单个调制器反射光强的线性叠加。     

大发光面积激光二极管堆栈抽运结构

由于半导体激光器(LD)在快轴和慢轴两个方向上发散角的不一致和耦合结构的缩束作用,从耦合结构输出的抽运光在经过空间传播后会发生劣化而降低效率.而通过调整激光二极管抽运堆栈结构中激光二极管阵列(LDA)的排布方式,可以改善耦合结构出口后一定距离处光场的空间分布,从而更好地保证抽运光与信号光的匹配.在通过对耦合结构出口的光场追迹分析后,得到了激光二极管堆栈(LDS)排布结构对耦合结构出射光空间分布特性的影响.通过某工程的实验验证,得到了良好的输出光斑和接近90%的传输效率.     

宽发射面激光二极管光束整形系统的光学设计

宽发射面激光二极管作为泵浦源在全固态激光器中得到了广泛的应用,但由于快慢轴发散角太大和发光面的不对称,所以需要对其进行光束整形。针对发光面为1m（快轴）200m（慢轴）且远场光斑为矩形光斑的宽发射面激光二极管,分析了输出光束在平行于p-n结方向上光场（侧模）的多光丝分布特性。通过在ZEMAX非序列里,设置合理的光丝间隔、尺寸和以纵模为间隔的多个波长,模拟了与实际相符的远场光斑。利用圆柱透镜压缩激光二极管快轴发散角,再用自聚焦透镜进行聚焦,最后在离自聚焦透镜后端面1.8 mm处得到快慢轴方向长分别为0.15 mm0.17 mm的方形光斑,且快慢轴方向发散角分别为3.32.4。同时,通过实验逐步比较了光束通过每一个光学元件后光斑形状的变化和光强分布,结果表明:宽发射面激光二极管光束整形中,通过引入侧模光丝结构的矩形光斑模拟方法是可行的。     

基于微透镜阵列的高效率光纤耦合系统设计

光纤耦合是半导体激光器集成光源进一步改善输出光束质量和远距离传输的重要手段。然而,由于半导体激光器单管体积和散热的限制,合成后激光光源的输出光束光参量积仍较大,不利于与单根多模光纤的耦合;直接与光纤束耦合又受到光纤束填充比的限制。针对多个半导体激光器单管集成的光源,采用倒置前端光学放大系统,对合成光束直径进行压缩;并采用六方排列的微透镜阵列作为耦合元件,使其光瞳成像在光纤端面,从而实现微透镜与光纤的一对一耦合,得到理论无损耗的高效光纤耦合系统。为了改善光场边缘像差影响,采用空心光管进一步匀化光场分布,且减小了边缘光线的发散角,提高了边缘光线的成像质量,优化后的系统耦合效率达98%。这一系统利用微透镜阵列将光束分束、成像,克服了集成光源输出光束光参量积较大不易与单根光纤耦合的缺点;通过使微透镜的入瞳成像在光纤端面,且光纤束的排列与微透镜阵列排列相同,提高了光束与光纤束的耦合效率。     

应用多孔径光束积分原理的LD端面抽运耦合系统

提出了一种应用多孔径光束积分原理的新型LD端面抽运耦合系统.这种耦合系统将LD堆栈的入射光束分成许多细子光束,并通过会聚透镜聚焦在激光介质的抽运面上,得到高均匀性、高功率密度的抽运光斑.给出了具体的设计方法,并根据近轴矩阵光学ABCD定律推导了抽运光斑的发散角分布.针对5吧条的堆栈进行了耦合系统的具体设计,非序列光线追迹的结果表明:在抽运区域内获得均匀性良好的抽运光斑,快轴方向上的不均匀性(峰-谷值)小于3%,慢轴方向上的不均匀性小于6%,快慢轴方向的发散角分别为12°和16°,与传统的波导管方法相比,其结构更加紧凑灵活,同时能将抽运光束发散角控制在较小的范围内.     

长加工距离的激光淬火光束的设计

利用Ｙ－Ｇ算法设计了一种衍射光学元件来对入射的高斯光束进行整形，获得在输出平面上光强成抛物线分布的光束，册时该聚焦平面与衍射光学元件的距离较长，可以解决透镜受污染、寿命短的问题。     

双平行平面反射镜在激光二极管阵列光束整形中的应用

为了实现激光二极管阵列(LDA)的高亮度光纤耦合输出,设计了一套简单有效的光束整形系统.首先采用快慢轴准直透镜压缩LDA的发散角,然后采用双平行平面反射镜光束整形装置,将压缩后的LDA慢轴方向的光束分为4束(也可以根据需要分为任意多束),并将4束子光束在快轴方向重新排列,最后通过聚焦系统,将整形后的光束耦合进入芯径600 μm,数值孔径0.37的光纤.实验测得双平行平面反射镜整形装置的效率为98.87%,系统的整体效率为77.2%.该整形系统设计简单,效牢高,具有很高的应用价值.