基于非成像光学的光束分割重排的整形方案

基于非成像光学的光束分割重排的整形方案

0自由输出光束的重新排列整形激光清洗机（1d）及其阵列（1darry，lda）的主要特点是高效、稳定、结构简单，能够制造小型体积完整的硬化装置。非常适合于带有泵浦的产品标记和激光加工固体微波机。输出大的ld矩阵也可以用作固体波前处理装置。然而由于条形LD阵列平均光强度较低,直接作为泵浦源的效率非常低,必须先对其输出光束进行整形以提高其平均光功率、改善其光束质量。常用的条形大功率LD阵列宽度一般为l0mm,由若干个发光区构成,每个发光区的输出光束在垂直于结平面方向(快轴)和平行于结平面方向(慢轴)有较大的差异,快轴方向发散角一般比慢轴方向发散角大得多;发光面在快轴方向上的尺寸约1μm,慢轴方向上的尺寸约100μm;各个长而窄的条形发光区以一定的间隔彼此端对端(慢轴方向)连接,因此较大的发光区间隔也导致发光区在空间分布上较稀疏,输出光能量不集中,平均光功率较低。同时条形LD阵列的较低的光束质量也是限制其作为大功率固体激光器泵浦源的重要因素。现在已有很多用以提高大功率条形LD阵列的输出光束质量及平均功率的光束整形方法。例如,双镜整形法;发光区连接方式重排法;双微阶梯反射镜法;直角棱镜组法;堆积式棱镜法等等。大部分整形方法都是着重于均衡条形LD阵列的快慢轴方向的光束尺寸和质量,从而提高输出光束的平均功率,使能量集中利于应用。本文设计了一种用于大功率条形LD阵列的整形方案,利用其对光束进行重新排列整形可以得到近似方形的高亮度输出光斑,利于进一步处理和应用。文中给出了用Zemax进行仿真优化的结果并利用光束参数乘积对整形前后的光束质量进行了分析和比较。1束腰宽度和远场扩散角激光的光束质量可以由光束参数乘积进行比较全面的评价。光束参数乘积(beamparameterproduct,BPP)是光的束腰宽度ω和远场发散角θ的乘积。BPP值越大,光束质量越差。对于确定光束,其BPP不能经通常的聚焦成像光学系统而改变,因此对于快慢轴发光区极不对称的LD阵列,若想提高其光束质量,必须采取将光束分割再重组的方式才能获得高质量、高亮度的输出光斑。为简化计算,本文采用光强降至轴上光强的10%来表征光束的远场发散全角,并用它与近场的光斑的最小直径的乘积来表征整形后输出光束的光束质量。2复合性实施角以总功率10W,由10个彼此间隔900μm的发光区组成的条形LD阵列为例,设计进行光束整形。条形LD阵列单个发光区尺寸」f×」s=1μm×100μm,其快慢轴的远场发散角为θf×θs=38°×10°=663.2251mrad×174.5329mrad。则未整形的条形LD阵列的快、慢轴方向的激光光束参数乘积为BPPf=ωfθf=0.001×663.2251≈0.6632mm·mradBPPs=ωsθs=(0.01×10)×174.5329≈174.5329mm·mrad慢轴与快轴方向的光束参数乘积之比为BPPs/BPPf=174.5329/0.6632≈263.1678其中,BPPf表示激光器快轴方向的光参数乘积,BPPs表示激光器慢轴方向的光参数乘积。2.1光束摄影2.1.1准直后光束的半主散角仿真由条形LD阵列的构成所决定,其10个发光区沿慢轴方向彼此间隔相接,快轴方向相当于仅有一个发光区,因此快轴光束的准直只需一个微柱透镜即可实现。准直原理如图1所示。快轴发散的光束经过适当尺寸的圆柱形透镜后发散角变小,发散角的改善量与柱透镜的参数及放置位置均有关系。图1中,θ1表示快轴准直前光束的半发散角,θi为空气-透镜界面的入射角,θo为折射角,θ2为经圆柱透镜准直后光束的快轴半发散角。图中两条虚线是光束入射出射界面的法线也是圆柱透镜的半径。显然,经圆柱透镜后出射界面光束的入射角与入射界面的折射角相同,均为θo;由于透镜外介质(空气)折射率不变,由斯涅尔定律,光束出射透镜界面的折射角仍为θi。由图1中的角度关系及斯涅尔定律,可以得到准直后光束的半发散角的表达式θ2=θi-(2θo-α)=2θi-2θo-θ1=2arcsin(dRsinθ1)-2arcsin(n1n2dRsinθ1)-θ1(1)θ2=θi−(2θo−α)=2θi−2θo−θ1=2arcsin(dRsinθ1)−2arcsin(n1n2dRsinθ1)−θ1(1)其中,R为圆柱透镜半径;d为LD出光面和柱透镜轴线间距离,表明柱透镜的放置位置,n1、n2分别为空气和柱透镜介质折射率;各个角度的含义则如图1所示。由于所选的LD的快轴发散角为38°,所以θ1=19°;空气折射率n1=1,选择透镜玻璃种类使n2=1.92;并且考虑到与其他整形元件的尺寸配合,仿真中选择了半径(R)为0.06mm的圆柱形透镜对快轴光束进行准直。通过改变透镜位置参数d可以改变准直后光束的发散角。图2所示为准直后光束的半发散角随LD出光面和柱透镜轴线间距离d的变化规律,由图可知,在其他参数固定不变的情况下,θ2与d几乎成线性递增关系,即d越大,经柱透镜后的光束快轴发散角的改善量越小。为了得到尽量好的准直效果,最终选取d=0.062mm进行仿真,仿真结果显示,准直后光束的快轴发散角仅为全角0.01°。与几何光学计算的公式计算结果略有不同,这是由于在射线追迹仿真中计算发散角时所用到的光斑尺寸考虑了输出光斑的能量分布,只选取了能量集中的部分来反映光斑尺寸,因此发散角比几何光学的要小也更加符合实际。然而,几何光学分析表明的变化规律却与仿真结果一致,准直效果随d的增大而变差(比较图3(a),(b)即知)。按照以上参数设计,选择柱透镜长度与发光区慢轴长度一致为10mm,并放置圆柱透镜使其轴线位于慢轴与光束传播方向构成的平面内且与慢轴平行,则圆柱透镜仅相当于LD发光区在光束传播方向上的延伸,对各个发光区慢轴光束的特性以及后续的整形操作基本没有影响。实际操作中可将圆柱透镜安放在一个独立的U型轭上,并将此U型轭贴附在一个四轴的调节器上,调节器的一个倾斜轴用来调节圆柱透镜的轴和LD发光面的轴平行,两个平移轴用来调节焦距和横向位移。仔细调整调节器就可以保证柱透镜的精确定位,避免因采用柱透镜而导致LD阵列中各二极管排列不共线、存在弯曲的现象(smile)有所加重。2.1.2慢轴光束准直的各参数优化设计为了对慢轴光束进行准直,为每个发光区引入一个抛物面反射镜,其轴面剖视图为一1/2抛物线,如图4所示。抛物面即由此抛物线在垂直轴线方向上拉伸得到。显然,由焦点出射的光线,经抛物面反射后,均平行主轴出射。而发散角相同的光束,若入射到抛物面的角度不同,出射光束的大小也将不同。因此可以通过设计未准直光束的入射方式来优化准直后光束的光斑尺寸。首先,假设发光区大小可以忽略,则慢轴发散角全角为10°的光束可看作是由一点发出(理想光束),如图4中实线所示。这种情况下,影响抛物面反射镜大小和准直后光斑尺寸的主要参数是发光区慢轴与抛物面主轴的夹角β。图5给出了对全角10°的理想慢轴发散光束准直所必需的抛物面反射镜慢轴方向的长度(l)和准直后出射光束慢轴尺寸(w)随慢轴与抛物面主轴的夹角(β)的变化关系。从图5中可以看出抛物面反射镜大小和出射光斑尺寸随角度β的变化趋势基本一致:在β很小时(小于7°)随β增加而迅速增大;当β继续增大(7°～90°),又随β增大而缓慢减小。对于慢轴光束的准直,希望在保证较小的出射光束发散角同时,光斑w越小越好;而抛物面反射镜慢轴方向的长度l也是越小越好,这是因为每个发光区对应一个抛物面反射镜,如果其尺寸过大,相邻发光区之间的光束就会被它遮挡,无法分别实现各自的慢轴光束准直。在我们此次设计中,由于慢轴共10个发光区,所以l必须小于1mm。结合图5和以上分析,慢轴与抛物面主轴的夹角β就只能选择0°或大于20°的锐角,并且越小越好。另外,实际操作中,由于各个发光区共线,慢轴倾角β也不能选得过大,若β过大,抛物面反射镜的反射光束就会被LD发光面本身(共10mm长,图4中粗短实线)阻挡,不仅无法继续进行整形操作,而且反射光还可能损坏激光器的发光区。综合考虑,β须要居中选择,尽量兼顾准直效果和光路畅通。我们选择β为0°和45°的两种情况进行设计,分别对应图4中a,b情况。以上对于抛物面反射镜放置倾角的分析是在假设发光区没有大小的情况下进行的,当考虑发光区本身的大小(100μm)时,入射光束不再是由一点发出(如图4中虚线),出射光束也将不再严格平行,而是存在一定的发散角。为了使发光区大小可以忽略不计近似当作一点来处理,以保证出射光束基本平行,还需要对抛物面本身的参数进行优化选择。图4所示的抛物线方程可由y=√2pxy=2px−−−√表示,其中p为表示抛物面特性的唯一参数。p对应于轴面抛物线焦点到准线的距离,对应于数学上抛物线顶点的曲率半径,p越大抛物线开口越大。为了使100μm的发光区相对于抛物面的尺寸可以近似作为一点处理,就要求顶点到焦点的距离(p/2)远大于100μm,并且越大越好。但由图6所示的l和w随p的变化关系可知,p越大,l,w越大。这就违背了前面图5分析时,l,w尽量小的要求。因此只能在满足l,w<1mm的前提下,选择尽量大的p值,为此,我们选择p=5mm。经简单验证,这样的抛物面参数可以保证输出光束基本平行,发散角小于1°。抛物面参数和慢轴与抛物线主轴位置关系确定后,条形LD阵列的放置方式也随之确定:每个发光区的快轴垂直于抛物面反射镜的对称轴剖面,并且慢轴与轴面抛物线的主轴成一定角度(β)。在实际操作中,由于10个发光区在慢轴方向上共线,可以将10个相同的抛物面反射镜按相对位置要求固定排列在一起,再统一用支架或底座与条形LD相连接,其在光路中的位置是圆柱透镜之后,其他整形元件之前。抛物面反射镜的制作可采用弯曲磨抛(bent-polishing)的方法,这种方法制作的抛物面反射镜是非球面的并且具有一定的厚度,因此易于安装;10个抛物面反射镜按其确定的相对位置集成后统一使用将有利于保证慢轴整形的效果,但在集成时精确控制相邻两抛物面反射镜之间的相对位置比较困难。具体的抛物面反射镜制作过程和精度参数将在后续的研究中陆续给出。2.2步的光束整形准直后的光束快、慢轴方向的发散角都很小,不会随传输距离增加而迅速发散,因此非常适合于进一步的光束整形。在之前慢轴准直的过程中,各个发光区已经彼此分开独立操作,若在此基础上将各个发光区发出的光束有规则地分离再按照光束质量较高的方式重新合并,即可得到发散角很小的高质量光束。下面将针对条形LD阵列发光区慢轴与抛物反射面的主轴的两种不同成角分别分析仿真。2.2.1过线束的输出在图4中a所示的发光区慢轴与主轴成0°角的情况下,10个发光区的慢轴在同一直线上,即相应的10个完全相同的抛物面反射镜的主轴也位于同一直线上,各个发光区光束经抛物反射镜准直旋转后彼此等高,并且会被相邻的抛物面反射镜遮挡而无法输出,因此采用10个完全相同的平面反射镜将准直后的慢轴光束一一取出(如图7所示),即令各个发光区的输出光斑彼此分开,并沿快轴方向平行排列,如图8所示。2.2.2抛物面反射镜呈阶梯状扩大的原因在图4中b所示的发光区慢轴与主轴成45°角的情况下,为使出射光束沿水平方向所以须保持抛物反射面主轴水平,因此条形LD阵列的发光区慢轴与水平方向成45°角,相应的10个焦距相同的抛物面反射镜呈阶梯状依次升高,从而使准直后的输出光束也呈阶梯状依次升高。在这种情况下,因为抛物面反射镜彼此不等高,因此准直后的输出光束不会像前一种情况那样被相邻的抛物面反射镜遮挡,但却由于LD阵列整个发光区的倾斜而被发光区本身遮挡。为了解决这一问题,为每个发光区配备一对平行的平面反射镜,使各个输出光束在快轴方向上都发生平移(如图9所示),且平移量可控,调节每个发光区对应的第二个平面反射镜的位置可以使得各个光束在快轴方向上的平移量互相成倍数关系,进而得到快轴方向上间隔为零,彼此只在慢轴方向上有间隔的输出光斑列,如图10所示。2.2.3面体光栅的制作由图8可以看出分割后的光束分别只在某一轴的方向上存在一定的间隔,因此将它们在该方向上做适当的平移,彼此交错填满各自之间的间隔即可得到占空比为1的、快慢轴尺寸比较均衡的输出光束。由此可以看出,光束平移是进行分割后光束重排合并的关键。因为光束的平移只在一个轴向上进行,且光束在另一个轴向上存在宽度,因此利用平行六面体棱镜即可实现这一功能。平行六面体棱镜制作简单,易于调节位置,并且配合多个发光区而采用的多个六面体棱镜可以集成于同一基底上而成一整体。如图11所示,一束与入射界面成θ角的入射光入射平行六面体棱镜,在介质界面发生两次折射,经过棱镜后出射光与入射光平行且在垂直入射光束方向上发生平移,平移量为d。适当选取其平行四边形面的顶角,使它的一对边刚好与折射光线平行(如图11),这样得到的平行六面体尺寸最小,对其他光线的影响也最小。由图可知d=acosβsinα(2)α+β=θ(3)d=acosβsinα(2)α+β=θ(3)其中,β为折射角;又由斯涅尔定律sinθ=nsinβ(4)sinθ=nsinβ(4)则平移量d=acosβsin(θ-β)=acosβ(sinθcosβ-cosθsinβ)=asinθ(1-cosθncosβ)=asinθ(1-cosθ√n2-sin2θ)(5)式(5)表明,光束的平移量d由棱镜的尺寸a,折射率n和入射角θ的大小决定,可以通过改变a,n,θ来改变。在本次整形方案设计中,由于不同光束的平移量之间基本成倍数关系,因此保持n,θ不变,通过改变线性变量、平行四边形的高a来改变平移量。下面依然分两种位置关系情况来介绍光束的重排合并。2.2.4慢轴光束速度由图8可知,在这种情况下,光束的平移应发生在快轴方向上,并且平移量较大,因此采用光束两两一组等量逐级向中间平移的方式使光束合并,实验装置如图12所示。为使每一对光束向中间位置平移量相同,各组棱镜均采用边长相等(a=b)的菱形六面体,其参数如表1所示。射线追记方法得到的输出光斑如图13所示。图中光斑尺寸为0.6629mm(快轴-水平)×1.0497mm(慢轴-竖直)。光束快轴和慢轴方向的远场发散角分别为7.4195mrad和18.3210mrad。因此两个方向上的光束参数乘积分别为BPPf=ωfθf=0.6629×7.4195=4.9184mm·mradBPPs=ωsθs=1.0497×18.3210=19.2316mm·mrad慢轴与快轴方向的光束参数乘积之比为BPPs/BPPf=19.2316/4.9184=3.9101将以上结果与未经任何整形处理的条形LD阵列输出光束的BPP相比较可以看出,在发光区慢轴与主轴重合的抛物面反射镜放置情况下(图4(a)),整形后的输出光束的快轴质量稍有变差(BPPf变大),但慢轴质量却得到很大的改善(BPPs变小),并且BPPs/BPPf明显变小,快慢轴光束质量的严重不对称性得到了改善,两个方向的光束质量基本均衡。这将非常有利于提高输出光束的亮度并使条形LD阵列更适合作为光纤激光器的泵浦源。整形后光束经球透镜聚焦后的光斑大小仅为0.1328mm(快轴-水平)×0.1325mm(慢轴-竖直),这样的光斑大小对于泵浦双包层光纤非常有利。2.2.5慢轴—发光区慢轴与主轴成45°角时光束的合并重排由图10可知,在这种情况下,光束的平移应发生在慢轴方向上,为避免各发光区光束折射次数的不均衡,采用两侧光束逐步向中间平移的方式进行光束的合并,实验装置如图14所示,图中各棱镜参数如表2所示。射线追记方法得到的输出光斑如图15所示。图中光斑尺寸为0.6618mm(快轴-水平)×0