大功率激光二极管阵列光束整形技术

大功率激光二极管阵列相比于同等功率的激光器有着优越的高性能和可靠性,在军事、工业、医学、航空航天等领域有着广阔的应用前景.具体应用中,大功率激光二极管阵列的光束整形技术扮演着一个重要角色.丈中提出折反光束整形系统,把线光束整形为方形或者圆形,利用此系统把20mm线光束整形为5mm×5 mm的方形光斑,软件模拟结果证明设计方法的正确性和可行性.     

大功率激光二极管阵列光束整形技术综述

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.     

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。     

微反射镜阵列在光束整形中的应用

在激光的实际应用中,需要利用光束整形技术将激光器的输出光束调制为期望的光强分布。微机电系统的发展为光束整形提供了一种解决方案。采用微反射镜阵列,实现了激光光束的整形。基于随机化的思想提出了相应的算法,分析了算法在不同单元数目和不同噪声水平下的表现,为实际应用提供了有价值的参考依据。最后,建立了实际的光路模型,进行了光线追迹,给出单模高斯光束以及考虑噪声情况下的仿真结果。分析结果表明,使用微反射镜阵列可以有效地实现不同输入下的激光光束整形,并且具有极大的灵活性,为光束整形提供了一种新的手段。     

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.     

非球面透镜组激光光束整形系统

在激光显示等领域常常需要光强均匀分布的激光光束,为此,深入分析了一种非球面透镜组激光光束整形系统的设计方法,该方法可以将入射光束为准直的单模高斯激光光束整形为光强均匀分布的准直平顶激光光束;给出了该非球面透镜组设计的基本过程,主要包括输出光束函数的选择、光线映射函数的确定和非球面参数的确定;最后选择光线映射函数具有解析解形式的匀化洛伦兹函数作为输出光束分布函数,分别确定了伽利略型和开普勒型的非球面透镜组激光光束整形系统的参数。     

基于透镜阵列的眼科准分子激光光束整形与匀光系统

为提高屈光手术中准分子激光的能量利用率和光斑均匀性,设计了一套由双排透镜阵列和会聚透镜组成的准分子激光光束整形与匀光系统。借助近轴光学计算发现,通过调节双排透镜阵列的间距可以改变聚焦光斑的尺寸,通过调节透镜阵列与会聚透镜之间的距离可以改变光学系统的整体长度而不影响聚焦光斑的形态。利用光线追迹方法对该系统进行了模拟分析,在会聚透镜像方焦平面上获得了呈均匀分布的方形聚焦光斑,并给出了聚焦光斑尺寸随双排阵列透镜间距的变化过程。分析了接收面离焦对光斑尺寸和能量分布产生的影响,指出所设计的光束整形与匀光系统可以满足准分子激光屈光手术对激光光斑质量的要求。     

激光二极管光束整形技术

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。     

提高半导体激光二极管功率密度的光束整形方法

针对半导体激光二极管由束散角大（14~46）导致的激光功率密度在传播过程中不断衰减的问题,提出了一种提高激光功率密度的光束整形方法。首先以X型柱面平凸透镜和Y型柱面平凸透镜对激光二极管输出光束慢轴和快轴方向进行准直,然后通过一对平凸透镜组合进行扩束,进一步提高光束平行度,最后由单片平凸透镜将光束聚焦为高功率密度的光点。采用Light Tools软件仿真光路、优化光学元件参数,对光学元件进行实际选型后安装并调试光束整形系统。测试结果表明:半导体激光二极管输出光束的67%激光能量汇聚于直径1 mm圆内,激光功率密度优于30 W/cm2。     

高斯光束整形非球面透镜的粒子群优化设计方法

提出了一种设计激光光束整形系统的新方法粒子群优化算法。根据能量守恒定律,推导出光束整形系统中任意光线与入射面和出射面交点坐标之间的变换关系,并把用此变换关系得到的光线与出射面的交点坐标作为目标值。把追迹光线在输出面上的交点坐标与目标值差的绝对值作为光束整形系统的能量分布变换评价函数,把出射光线方向矢量的y分量绝对值作为准直评价函数,并将能量分布变换评价函数与准直评价函数的和作为光束整形变换系统的总评价函数,依此函数作为粒子群算法中的适应度函数,对适应度函数进行极小值操作,便可得到了一个既能把光强高斯分布转换为光强均匀分布,又能近似实现光束重新准直的非球面整形透镜系统。用这种方法设计了一个单非球面凹平透镜,可以把光强高斯分布、光斑半径30 mm的红光激光光束整形为光强均匀分布、光斑半径为36 mm的平顶光束,且准直出射。证明这种设计方法简单有效。     

一种掩埋式复眼微透镜阵列

模仿生物复眼,采用光刻离子交换法,在球面玻璃基片中制作了折射率呈三维梯度变化、排列紧密和光学性能良好的微透镜阵列。单元微透镜孔径呈正六角形,光斑大小为4．92μm,相邻透镜元中心距为0．5mm,掩埋透镜高为0．194mm。微透镜阵列具有对称均匀的光学特性,截距自中心至边缘逐渐变小,数值孔径（N．A．）自中心向边缘逐渐变...     

一种用于高斯光束远场整形的小型双透镜系统设计

为了实现高斯光束的远场均匀投射,利用Zemax 优化设计了一种由双凹、平凸双透镜组成的小型匀 光组件。基于理想均匀光斑在其径向上的照度积分与半径呈线性关系的原理,首先利用双凹 透镜缩短光路, 然后对平凸透镜进行约束优化。该组件长度为24mm,可对波长1064nm、腰斑直径400μm 的激光束实现 发散角为6.6°的远场均匀投射。经过设计模型在10m、30m 和40m投射距离处的模拟仿真,结果 显示在4个投射距离处的光斑均匀度都大于93.9%,能量利用率均高于 90%。该匀光组件仅由2个球面和 1个二次曲面构成,结构简单,间隔和厚度公差可达±0.03mm,拥 有良好的可加工性和实用性,在激光通信、激光干涉照明等领域中具有潜在的使用 价值。     

新型激光二极管列阵光束整形方法

设计并制作了一套简单有效的光束整形系统,用以改善激光二极管列阵器件(LDA)的光束质量,减小快慢轴光束质量积的差别,实现高亮度光纤耦合输出。首先采用快慢轴准直透镜压缩LDA的发散角,然后采用双面分区镀膜的单片平面镜,通过反射和折射将压缩后的LDA慢轴方向的光束分为7束,并将7束子光束在快轴方向重新排列,实验测得整形装置的效率为95.2%。该整形系统设计简单,效率高,具有很高的应用价值。     

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

德国LIMO公司研发出了非对称微透镜阵列的设计和生产技术并将其应用于高功率二极管激光器的制造,简化了光束整形系统,降低了激光器的制造成本.     

利用单片非球面透镜实现激光束整形

在非球面透镜组进行激光束整形的技术基础上,设计了应用于TEA CO2激光光束整形的单片非球面镜光束整形系统.基于几何光学原理,利用能量守恒定律和等光程条件进行系统理论模型求解.通过使用龙贝格数值积分和非线性最小二乘法,获得非球面透镜前后两面的矢高.最后,通过光学设计软件ZEMAX进行系统性能优化,并对其可加工性进行了分析.实验结果表明,出射光束的光程差(OPD)为±0.01λ,峰谷值误差为0.0002λ,输出基本为平行光.该方法能有效避免双分离透镜结构系统的筒长过长、不易调节的弊端,使器件结构变得简单,便于加工装调.     

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。     

一种激光二极管像散光束准直整形方法研究

为了准直并整形具有像散的激光二极管光束,采用高斯光束q参量变换规律,推导了利用柱面自聚焦透镜整形激光二极管光束应满足的条件,并在此基础上,通过软件模拟优化,得到了一套效果良好的光束整形准直系统。经过准直整形后光束快慢轴方向发散角基本相等,均小于0.7mrad,束腰位置差异小于2.8mm。结果表明,系统中柱面自聚焦透镜的应用起到了较好的效果,准直整形后的光束具有发散角较小且旋转对称等特点。     

大面积半导体激光器阵列光束整形研究

在采用大面积半导体激光器阵列进行泵浦时,由于能量密度等因素,必须把泵浦光会聚到很小的面积上.而空心导光管作为一种良好的耦合器件,不仅能够实现匀光缩束的功能,还具有高效、简洁、可控制光斑形状等优点.在阐述了采用Duct进行半导体激光器阵列缩束整形的原理后,通过对Duct近似模型的分析,得到了Duct的优化结构参数,并通过光线追迹得到了Duct输出光斑的特性.     

用于运动目标探测的球面复眼透镜的结构设计

提出了一种球面复眼成像系统的结构设计方案.基于电场操控液滴透镜面形可实现变焦的技术,在球壳基底上制作非球面液滴透镜并用电场改变其焦距以满足不同视场角的成像要求,通过折转透镜将不同视场角的入射光聚焦在平面CCD的不同位置,从而在获得大视场的同时改善了边缘光线的成像质量.讨论了非球面液滴透镜的制备过程,设计了球面复眼透镜系统的结构,并利用ZEMAX软件进行光学建模,分析了单个通道的成像性质以及各个通道在成像平面上的位置关系.结果表明:该结构在±45°视场角内对边缘光线的成像质量有明显的改善作用,在大视场成像的同时保持了低像差,可以满足运动目标检测的应用要求.     

基于数字微镜阵列的平顶光束空间整形

为了满足激光光斑质量高、扫描快速的目的,采用数字微镜阵列和误差扩散法对单平顶和多平顶的光束整形原理仿真,利用680nm激光建立了实验系统,并进行了光束整形验证。采用光束填充因子、光场调制度、均方根误差3种评价参量对整形结果进行评价,并对采用数字微镜阵列进行光束整形的能量利用率进行了测量和分析。结果表明,单平顶和多平顶整形的光束填充因子由整形前的36.1%分别提高到62.3%和56.7%;光场调制度由73.3%分别降到25.6%和30.3%。利用该光束空间整形方法,可得到高质量的多平顶光束,在快速激光扫描领域有一定的应用价值。