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1、 第17卷 增 刊 强 激 光 与 粒 子 束 Vol.17,No. S0 2005年4月 HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS Apr., 2005 cI|: 1001-4322(2005) S0-0062-052;E8;*郑春艳, 郑国兴, 周崇喜, 杜春雷(中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室,四川成都610209)K 1: 介绍了半导体激光器列阵的光束整形理论,设计并制作了由两个闪耀光栅阵列构成的整形光学系统,理论计算表明该系统能将激光器快、慢轴方向的光参数积变为5.7 mm# mrad和8.9 mm# mrad。在整形实验中测得变换
2、后快、慢轴方向的光参数积分别为12 mm# mrad和9.5 mm# mrad,经透镜聚焦后能够实现与芯径200 Lm,数值孔径0.22的光纤耦合。1oM: 激光技术; 光束整形; 闪耀光栅; 半导体激光器列阵; 衍射光学器件; 光纤耦合ms|: TN248.4 DSM: A近年来,大功率半导体激光器列阵被广泛应用于泵浦固体激光器、光纤激光器及激光医疗、材料处理等领域,但由于其输出光束的质量较差而影响了它的直接应用。光束质量一般常用光参数积来衡量1 ,光参数积(BPP)定义为激光束的光腰半径与远场发散角半角的乘积,光参数积的值越小,光束质量就越好。半导体激光器列阵的输出光束在垂直于结平面(快轴
3、)方向和平行于结平面(慢轴)方向是非对称的,光束质量很不均衡。快轴方向的光束质量接近衍射极限,光参数积只有零点几mm# mrad;慢轴方向的光束质量较差,光参数积达到几百mm# mrad,是快轴方向的几百甚至上千倍。这样的光束不可能通过传统的成像光学系统聚焦成对称的小光斑以满足实际应用的需要,必须采用特殊的光学器件对光束进行整形,减小慢轴方向的光参数积,实现两个方向光束质量的均衡。目前,国内外报导的整形方法主要有双平面反射镜法2、阶梯反射镜法3、多棱镜阵列法4、棱镜组折反射整形法5、微片棱镜堆整形法6及衍射微透镜法7等。这些整形方法都存在器件加工困难或不易装调等问题。本文采用闪耀光栅阵列(透射
4、式)来实现光束整形,用这种方法进行整形在国内未见报导,国外仅有少量8报导,也还不成熟。由于闪耀光栅阵列结构简单,集成性好,所以加工装调都比较容易。本文根据实际激光器的参数及光纤耦合的要求设计、制作了闪耀光栅阵列,并进行了光束整形及光纤耦合实验。1 sFig.1 Schematic of beam-rearrangement图1 光束重排示意图半导体激光器列阵的光束整形是通过光束重排来实现的,即把准直后的激光束在慢轴方向分割成若干段,再让这些子光束在快轴方向重新排列形成对称的光场分布,这样慢轴方向由于光束尺寸减小了,所以光参数积也减小了。对典型的线阵激光器,准直后的激光束为一条细线(如图1所示)
5、,若把光束在慢轴方向分割成N 段,则整形后慢轴方向的光参数积将减小为1/N,快轴方向的光参数积相应增大N 倍,从而使得两个方向上的光束质量较为均衡。分割段数N 是根据激光器的参数及具体应用要求来确定的。如要实现激光器与光纤的耦合,就必需满足光参数积匹配原则,对于整形后为矩形的光束来说,要求其对角线方向的光参数积小于光纤的光参数积(由光纤芯径和数值孔径决定) 9 ,即BPPslowN2+ (BPPfast N)2 BPPfiber (1)式中:BPPslow表示激光器慢轴方向的光参数积; BPPfast表示激光器快轴方向的光参数积; BPPfiber表示光纤的光参数积。*l:2004-11-22
6、; :2005-01-20:四川省青年科技基金资助课题(04ZQ026-054)Te:郑春艳(1975) ),女,硕士,主要从事激光光学方面的研究工作;成都双流350信箱;E-mail:。 当快慢轴方向的光参数积相等时,此时N = ceil( BPP slowBPPfast) (2)BPPslowN2+ (N BPPfast)2 值最小,耦合效果最好,且能够实现与较小芯径的光纤耦合。2 ;d!9#qT根据上述整形原理,我们针对实际的线阵激光器设计了一个整形光学系统,用于实现与芯径200 Lm数值孔径0. 22的多模光纤耦合。该激光器包括19个激光发射单元,中心波长为975 nm,每个激光发射单
7、元的发光面积为l Lm 150 Lm,相邻单元的间隔为500Lm,输出光束在快、慢轴方向的发散角分别为63b和13. 6b( 1/e2 定义)。由于光束发散角较大,我们先用微透镜组对快慢轴方向进行准直,得到近似平行的准直光束。准直后两个方向的光参数积分别为0. 3mm# mrad和169 mm#mrad,由公式(2)可得分割段数N= 23时耦合效果最好,但考虑到便于器件制作及边缘损耗的影响,决定把光束分割成19段,这样整形后快轴方向的光参数积将变为0.3 19= 5. 7 mm#mrad,慢轴方向变为169/19= 8.9 mm# mrad,光参数积较为均衡,且5.7 mm #mrad2+ 8
8、. 9mm# mrad2 U 10.6 mm #mrad BPPfiber = 22 mm #mrad能够满足耦合需要。我们用两个微光学阵列器件 二维闪耀光栅阵列构成整形系统来完成光参数积的变换。整形后的光束在快慢轴方向上光参数积接近,但发散角仍不一致,我们再用一个柱透镜对慢轴方向进行二次准直,最后用双胶合透镜聚焦得到高亮度的小光斑,实现与光纤的耦合,系统结构如图2所示(图中x,y 方向分别为平行、垂直于结平面方向,z 方向为系统的光轴方向)。Fig.2 Schematic of coupling system图2 耦合系统示意图其中整形器件一中心为平板,左右两边各有9个具有不同闪耀角的二维闪
9、耀光栅,其作用是对除中心光束外的18束光进行偏转, 即使得这些光束在x 方向向着系统的光轴方向偏转,在y方向向远离系统光轴的方向偏转,通过控制各光束的偏转角度,我们就可以使得各光束经过一段距离的传输后在x 方向重叠,在y 方向分开,重新排列形成近似方形的光场分布。但此时各光束的传播方向互不相同,我们在此位置放入整形器件二(中心为平板,上下各有9个具有不同闪耀角的二维闪耀光栅)来校正各光束的传播方向,使之与系统的光轴方向平行。光束变换过程如图3所示,为清晰起见,图中只画出了三束光。器件一中各光栅的相位为能实现光束在x,y方向偏转的光楔相位的叠加,即71i = (2P/K)(xsinHxi + y
10、sinHyi), i = 1,2,3, ,19 (3)这里我们忽略了常相位因子, Hxi , Hyi分别为光束在x,y方向的偏转角。将 71i对2P取模就得到二维闪耀光栅的相位分布。器件二中光栅(图2中与器件一序号相同的光栅)的相位结构与器件一相反。我们用台阶形的轮廓来逼近闪耀光栅锯齿状的相位轮廓,综合考虑器件的衍射效率和实际的工艺条件,选取量化阶数为8(理论衍射效率为95%),此时器件最小线宽为3 Lm,满足加工要求。我63增 刊 郑春艳等: 闪耀光栅阵列用于半导体激光器列阵光束整形Fig.3 Schematic of beam transformation of LDA图3 光束变换示意图
11、们用激光直写仪制作掩模,在石英基片上经三次套刻得到所需的多台阶结构。图4为两个器件在显微镜下的照片,图5为用台阶仪测得的器件的微结构。Fig.4 Photos of beam-shaping elements图4 整形器件的照片Fig.5 Profile of blazed grating array1图5 闪耀光栅阵列一的微结构3 9E用ZEMAX软件对光束的变换过程进行了模拟,图6是模拟得到的结果: (a)为准直后的光束分布;( b)为经过光栅阵列整形后的光束分布(没有考虑衍射损耗),可以看出光栅阵列确实起到了光束重排的作用; ( c)是聚焦光斑的图形,光斑尺寸小于200 Lm,达到了预期
12、的目标。4 LT#s我们进行了实际的光束整形及光纤耦合实验,在实验中采用红外探测卡来观察光束的变换情况,得到整形前后的光束分布情况如图7(a)、( b)所示。可以看出整形后各光束在快轴方向层叠排列形成矩形的光场分布,与计算机模拟的结果基本一致。由于没有经过衍射,中心光束的光强及光斑尺寸都明显大于其它光束。64 强 激 光 与 粒 子 束 第17卷Fig.6 Results of simulation图6 模拟结果Fig.7 Results of experiment图7 实验结果实验测得二次准直后快慢轴方向的光斑尺寸为12 mm和9 mm,光束发散角为4.0 mrad和4. 2 mrad,由此
13、算得两个方向的光参数积为12 mm# mrad和9.5 mm# mrad,基本实现了光参数积的均衡,但与理论值相比快轴方向的值相差较大,这是由于准直后快轴方向的发散角比理论值大而导致的。经透镜聚焦后得到如图7(c)所示的对称光斑,并实现了与芯径200 Lm、数值孔径0.22的光纤耦合。实验中由于光栅阵列未镀增透膜及器件的加工误差等原因导致系统的耦合效率还不是很高,有待进一步改进。5 本文设计并制作了两个闪耀光栅阵列,用于对大功率半导体激光器列阵的输出光束进行整形,整形后基本实现了快慢轴方向光束质量的均衡,并能耦合进芯径200 Lm、数值孔径0. 22的光纤,证明这种整形方法是切实可行的。该方法
14、具有器件加工装调容易、不改变系统光轴、整形效果好等优点,具有良好的应用前景。ID:1 Heinemann S, Leininger L. Fiber coupled diode lasersand beam-shaped high-power stacksA. Proc of SPIEC. 1998, 3267:116.2 Clarkson W A, Hanna D C. Two-mirror beam-shaping technique for high-power diode barsJ. Optic Letters, 1996, 21(6):375.3 Ehlers B, Du K, B
15、aumann M, et al. Beam shaping and fiber coupling of high-power diode laser arraysA. Proc of SPIEC. 1997, 3097:639.4 Yamaguchi S. Collimation of emissions from a high-power multistripe laser-diode bar with multiprism array coupling and focusing to a smallspot J. OptLett, 1995, 20(8):898.5 Wang P Y, Gheen A, Wang Z . Beam shaping technology for laser diode arraysA. Proc of SPIEC. 2002, 4770:131.65增 刊 郑春艳等: 闪耀光栅阵列用于半导体激光器列阵光束整形6 石鹏,李小莉,张贵芬,等.大功率激光二极管的微片棱镜堆光束整形和光纤耦合输出J. 光学学报, 2000, 20(11): 1544. (Shi P, Li X L,Zhang G F,
