基于非成像光學的光束分割重排的整形方案

基于非成像光學的光束分割重排的整形方案

0自由輸出光束的重新排列整形激光清洗機（1d）及其陣列（1darry，lda）的主要特點是高效、穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單，能夠制造小型體積完整的硬化裝置。非常適合于帶有泵浦的產(chǎn)品標記和激光加工固體微波機。輸出大的ld矩陣也可以用作固體波前處理裝置。然而由于條形LD陣列平均光強度較低,直接作為泵浦源的效率非常低,必須先對其輸出光束進行整形以提高其平均光功率、改善其光束質(zhì)量。常用的條形大功率LD陣列寬度一般為l0mm,由若干個發(fā)光區(qū)構(gòu)成,每個發(fā)光區(qū)的輸出光束在垂直于結(jié)平面方向(快軸)和平行于結(jié)平面方向(慢軸)有較大的差異,快軸方向發(fā)散角一般比慢軸方向發(fā)散角大得多;發(fā)光面在快軸方向上的尺寸約1μm,慢軸方向上的尺寸約100μm;各個長而窄的條形發(fā)光區(qū)以一定的間隔彼此端對端(慢軸方向)連接,因此較大的發(fā)光區(qū)間隔也導致發(fā)光區(qū)在空間分布上較稀疏,輸出光能量不集中,平均光功率較低。同時條形LD陣列的較低的光束質(zhì)量也是限制其作為大功率固體激光器泵浦源的重要因素?，F(xiàn)在已有很多用以提高大功率條形LD陣列的輸出光束質(zhì)量及平均功率的光束整形方法。例如,雙鏡整形法;發(fā)光區(qū)連接方式重排法;雙微階梯反射鏡法;直角棱鏡組法;堆積式棱鏡法等等。大部分整形方法都是著重于均衡條形LD陣列的快慢軸方向的光束尺寸和質(zhì)量,從而提高輸出光束的平均功率,使能量集中利于應用。本文設計了一種用于大功率條形LD陣列的整形方案,利用其對光束進行重新排列整形可以得到近似方形的高亮度輸出光斑,利于進一步處理和應用。文中給出了用Zemax進行仿真優(yōu)化的結(jié)果并利用光束參數(shù)乘積對整形前后的光束質(zhì)量進行了分析和比較。1束腰寬度和遠場擴散角激光的光束質(zhì)量可以由光束參數(shù)乘積進行比較全面的評價。光束參數(shù)乘積(beamparameterproduct,BPP)是光的束腰寬度ω和遠場發(fā)散角θ的乘積。BPP值越大,光束質(zhì)量越差。對于確定光束,其BPP不能經(jīng)通常的聚焦成像光學系統(tǒng)而改變,因此對于快慢軸發(fā)光區(qū)極不對稱的LD陣列,若想提高其光束質(zhì)量,必須采取將光束分割再重組的方式才能獲得高質(zhì)量、高亮度的輸出光斑。為簡化計算,本文采用光強降至軸上光強的10%來表征光束的遠場發(fā)散全角,并用它與近場的光斑的最小直徑的乘積來表征整形后輸出光束的光束質(zhì)量。2復合性實施角以總功率10W,由10個彼此間隔900μm的發(fā)光區(qū)組成的條形LD陣列為例,設計進行光束整形。條形LD陣列單個發(fā)光區(qū)尺寸」f×」s=1μm×100μm,其快慢軸的遠場發(fā)散角為θf×θs=38°×10°=663.2251mrad×174.5329mrad。則未整形的條形LD陣列的快、慢軸方向的激光光束參數(shù)乘積為BPPf=ωfθf=0.001×663.2251≈0.6632mm·mradBPPs=ωsθs=(0.01×10)×174.5329≈174.5329mm·mrad慢軸與快軸方向的光束參數(shù)乘積之比為BPPs/BPPf=174.5329/0.6632≈263.1678其中,BPPf表示激光器快軸方向的光參數(shù)乘積,BPPs表示激光器慢軸方向的光參數(shù)乘積。2.1光束攝影2.1.1準直后光束的半主散角仿真由條形LD陣列的構(gòu)成所決定,其10個發(fā)光區(qū)沿慢軸方向彼此間隔相接,快軸方向相當于僅有一個發(fā)光區(qū),因此快軸光束的準直只需一個微柱透鏡即可實現(xiàn)。準直原理如圖1所示?？燧S發(fā)散的光束經(jīng)過適當尺寸的圓柱形透鏡后發(fā)散角變小,發(fā)散角的改善量與柱透鏡的參數(shù)及放置位置均有關(guān)系。圖1中,θ1表示快軸準直前光束的半發(fā)散角,θi為空氣-透鏡界面的入射角,θo為折射角,θ2為經(jīng)圓柱透鏡準直后光束的快軸半發(fā)散角。圖中兩條虛線是光束入射出射界面的法線也是圓柱透鏡的半徑。顯然,經(jīng)圓柱透鏡后出射界面光束的入射角與入射界面的折射角相同,均為θo;由于透鏡外介質(zhì)(空氣)折射率不變,由斯涅爾定律,光束出射透鏡界面的折射角仍為θi。由圖1中的角度關(guān)系及斯涅爾定律,可以得到準直后光束的半發(fā)散角的表達式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為圓柱透鏡半徑;d為LD出光面和柱透鏡軸線間距離,表明柱透鏡的放置位置,n1、n2分別為空氣和柱透鏡介質(zhì)折射率;各個角度的含義則如圖1所示。由于所選的LD的快軸發(fā)散角為38°,所以θ1=19°;空氣折射率n1=1,選擇透鏡玻璃種類使n2=1.92;并且考慮到與其他整形元件的尺寸配合,仿真中選擇了半徑(R)為0.06mm的圓柱形透鏡對快軸光束進行準直。通過改變透鏡位置參數(shù)d可以改變準直后光束的發(fā)散角。圖2所示為準直后光束的半發(fā)散角隨LD出光面和柱透鏡軸線間距離d的變化規(guī)律,由圖可知,在其他參數(shù)固定不變的情況下,θ2與d幾乎成線性遞增關(guān)系,即d越大,經(jīng)柱透鏡后的光束快軸發(fā)散角的改善量越小。為了得到盡量好的準直效果,最終選取d=0.062mm進行仿真,仿真結(jié)果顯示,準直后光束的快軸發(fā)散角僅為全角0.01°。與幾何光學計算的公式計算結(jié)果略有不同,這是由于在射線追跡仿真中計算發(fā)散角時所用到的光斑尺寸考慮了輸出光斑的能量分布,只選取了能量集中的部分來反映光斑尺寸,因此發(fā)散角比幾何光學的要小也更加符合實際。然而,幾何光學分析表明的變化規(guī)律卻與仿真結(jié)果一致,準直效果隨d的增大而變差(比較圖3(a),(b)即知)。按照以上參數(shù)設計,選擇柱透鏡長度與發(fā)光區(qū)慢軸長度一致為10mm,并放置圓柱透鏡使其軸線位于慢軸與光束傳播方向構(gòu)成的平面內(nèi)且與慢軸平行,則圓柱透鏡僅相當于LD發(fā)光區(qū)在光束傳播方向上的延伸,對各個發(fā)光區(qū)慢軸光束的特性以及后續(xù)的整形操作基本沒有影響。實際操作中可將圓柱透鏡安放在一個獨立的U型軛上,并將此U型軛貼附在一個四軸的調(diào)節(jié)器上,調(diào)節(jié)器的一個傾斜軸用來調(diào)節(jié)圓柱透鏡的軸和LD發(fā)光面的軸平行,兩個平移軸用來調(diào)節(jié)焦距和橫向位移。仔細調(diào)整調(diào)節(jié)器就可以保證柱透鏡的精確定位,避免因采用柱透鏡而導致LD陣列中各二極管排列不共線、存在彎曲的現(xiàn)象(smile)有所加重。2.1.2慢軸光束準直的各參數(shù)優(yōu)化設計為了對慢軸光束進行準直,為每個發(fā)光區(qū)引入一個拋物面反射鏡,其軸面剖視圖為一1/2拋物線,如圖4所示。拋物面即由此拋物線在垂直軸線方向上拉伸得到。顯然,由焦點出射的光線,經(jīng)拋物面反射后,均平行主軸出射。而發(fā)散角相同的光束,若入射到拋物面的角度不同,出射光束的大小也將不同。因此可以通過設計未準直光束的入射方式來優(yōu)化準直后光束的光斑尺寸。首先,假設發(fā)光區(qū)大小可以忽略,則慢軸發(fā)散角全角為10°的光束可看作是由一點發(fā)出(理想光束),如圖4中實線所示。這種情況下,影響拋物面反射鏡大小和準直后光斑尺寸的主要參數(shù)是發(fā)光區(qū)慢軸與拋物面主軸的夾角β。圖5給出了對全角10°的理想慢軸發(fā)散光束準直所必需的拋物面反射鏡慢軸方向的長度(l)和準直后出射光束慢軸尺寸(w)隨慢軸與拋物面主軸的夾角(β)的變化關(guān)系。從圖5中可以看出拋物面反射鏡大小和出射光斑尺寸隨角度β的變化趨勢基本一致:在β很小時(小于7°)隨β增加而迅速增大;當β繼續(xù)增大(7°～90°),又隨β增大而緩慢減小。對于慢軸光束的準直,希望在保證較小的出射光束發(fā)散角同時,光斑w越小越好;而拋物面反射鏡慢軸方向的長度l也是越小越好,這是因為每個發(fā)光區(qū)對應一個拋物面反射鏡,如果其尺寸過大,相鄰發(fā)光區(qū)之間的光束就會被它遮擋,無法分別實現(xiàn)各自的慢軸光束準直。在我們此次設計中,由于慢軸共10個發(fā)光區(qū),所以l必須小于1mm。結(jié)合圖5和以上分析,慢軸與拋物面主軸的夾角β就只能選擇0°或大于20°的銳角,并且越小越好。另外,實際操作中,由于各個發(fā)光區(qū)共線,慢軸傾角β也不能選得過大,若β過大,拋物面反射鏡的反射光束就會被LD發(fā)光面本身(共10mm長,圖4中粗短實線)阻擋,不僅無法繼續(xù)進行整形操作,而且反射光還可能損壞激光器的發(fā)光區(qū)。綜合考慮,β須要居中選擇,盡量兼顧準直效果和光路暢通。我們選擇β為0°和45°的兩種情況進行設計,分別對應圖4中a,b情況。以上對于拋物面反射鏡放置傾角的分析是在假設發(fā)光區(qū)沒有大小的情況下進行的,當考慮發(fā)光區(qū)本身的大小(100μm)時,入射光束不再是由一點發(fā)出(如圖4中虛線),出射光束也將不再嚴格平行,而是存在一定的發(fā)散角。為了使發(fā)光區(qū)大小可以忽略不計近似當作一點來處理,以保證出射光束基本平行,還需要對拋物面本身的參數(shù)進行優(yōu)化選擇。圖4所示的拋物線方程可由y=√2pxy=2px???√表示,其中p為表示拋物面特性的唯一參數(shù)。p對應于軸面拋物線焦點到準線的距離,對應于數(shù)學上拋物線頂點的曲率半徑,p越大拋物線開口越大。為了使100μm的發(fā)光區(qū)相對于拋物面的尺寸可以近似作為一點處理,就要求頂點到焦點的距離(p/2)遠大于100μm,并且越大越好。但由圖6所示的l和w隨p的變化關(guān)系可知,p越大,l,w越大。這就違背了前面圖5分析時,l,w盡量小的要求。因此只能在滿足l,w<1mm的前提下,選擇盡量大的p值,為此,我們選擇p=5mm。經(jīng)簡單驗證,這樣的拋物面參數(shù)可以保證輸出光束基本平行,發(fā)散角小于1°。拋物面參數(shù)和慢軸與拋物線主軸位置關(guān)系確定后,條形LD陣列的放置方式也隨之確定:每個發(fā)光區(qū)的快軸垂直于拋物面反射鏡的對稱軸剖面,并且慢軸與軸面拋物線的主軸成一定角度(β)。在實際操作中,由于10個發(fā)光區(qū)在慢軸方向上共線,可以將10個相同的拋物面反射鏡按相對位置要求固定排列在一起,再統(tǒng)一用支架或底座與條形LD相連接,其在光路中的位置是圓柱透鏡之后,其他整形元件之前。拋物面反射鏡的制作可采用彎曲磨拋(bent-polishing)的方法,這種方法制作的拋物面反射鏡是非球面的并且具有一定的厚度,因此易于安裝;10個拋物面反射鏡按其確定的相對位置集成后統(tǒng)一使用將有利于保證慢軸整形的效果,但在集成時精確控制相鄰兩拋物面反射鏡之間的相對位置比較困難。具體的拋物面反射鏡制作過程和精度參數(shù)將在后續(xù)的研究中陸續(xù)給出。2.2步的光束整形準直后的光束快、慢軸方向的發(fā)散角都很小,不會隨傳輸距離增加而迅速發(fā)散,因此非常適合于進一步的光束整形。在之前慢軸準直的過程中,各個發(fā)光區(qū)已經(jīng)彼此分開獨立操作,若在此基礎(chǔ)上將各個發(fā)光區(qū)發(fā)出的光束有規(guī)則地分離再按照光束質(zhì)量較高的方式重新合并,即可得到發(fā)散角很小的高質(zhì)量光束。下面將針對條形LD陣列發(fā)光區(qū)慢軸與拋物反射面的主軸的兩種不同成角分別分析仿真。2.2.1過線束的輸出在圖4中a所示的發(fā)光區(qū)慢軸與主軸成0°角的情況下,10個發(fā)光區(qū)的慢軸在同一直線上,即相應的10個完全相同的拋物面反射鏡的主軸也位于同一直線上,各個發(fā)光區(qū)光束經(jīng)拋物反射鏡準直旋轉(zhuǎn)后彼此等高,并且會被相鄰的拋物面反射鏡遮擋而無法輸出,因此采用10個完全相同的平面反射鏡將準直后的慢軸光束一一取出(如圖7所示),即令各個發(fā)光區(qū)的輸出光斑彼此分開,并沿快軸方向平行排列,如圖8所示。2.2.2拋物面反射鏡呈階梯狀擴大的原因在圖4中b所示的發(fā)光區(qū)慢軸與主軸成45°角的情況下,為使出射光束沿水平方向所以須保持拋物反射面主軸水平,因此條形LD陣列的發(fā)光區(qū)慢軸與水平方向成45°角,相應的10個焦距相同的拋物面反射鏡呈階梯狀依次升高,從而使準直后的輸出光束也呈階梯狀依次升高。在這種情況下,因為拋物面反射鏡彼此不等高,因此準直后的輸出光束不會像前一種情況那樣被相鄰的拋物面反射鏡遮擋,但卻由于LD陣列整個發(fā)光區(qū)的傾斜而被發(fā)光區(qū)本身遮擋。為了解決這一問題,為每個發(fā)光區(qū)配備一對平行的平面反射鏡,使各個輸出光束在快軸方向上都發(fā)生平移(如圖9所示),且平移量可控,調(diào)節(jié)每個發(fā)光區(qū)對應的第二個平面反射鏡的位置可以使得各個光束在快軸方向上的平移量互相成倍數(shù)關(guān)系,進而得到快軸方向上間隔為零,彼此只在慢軸方向上有間隔的輸出光斑列,如圖10所示。2.2.3面體光柵的制作由圖8可以看出分割后的光束分別只在某一軸的方向上存在一定的間隔,因此將它們在該方向上做適當?shù)钠揭?彼此交錯填滿各自之間的間隔即可得到占空比為1的、快慢軸尺寸比較均衡的輸出光束。由此可以看出,光束平移是進行分割后光束重排合并的關(guān)鍵。因為光束的平移只在一個軸向上進行,且光束在另一個軸向上存在寬度,因此利用平行六面體棱鏡即可實現(xiàn)這一功能。平行六面體棱鏡制作簡單,易于調(diào)節(jié)位置,并且配合多個發(fā)光區(qū)而采用的多個六面體棱鏡可以集成于同一基底上而成一整體。如圖11所示,一束與入射界面成θ角的入射光入射平行六面體棱鏡,在介質(zhì)界面發(fā)生兩次折射,經(jīng)過棱鏡后出射光與入射光平行且在垂直入射光束方向上發(fā)生平移,平移量為d。適當選取其平行四邊形面的頂角,使它的一對邊剛好與折射光線平行(如圖11),這樣得到的平行六面體尺寸最小,對其他光線的影響也最小。由圖可知d=acosβsinα(2)α+β=θ(3)d=acosβsinα(2)α+β=θ(3)其中,β為折射角;又由斯涅爾定律sinθ=nsinβ(4)sinθ=nsinβ(4)則平移量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由棱鏡的尺寸a,折射率n和入射角θ的大小決定,可以通過改變a,n,θ來改變。在本次整形方案設計中,由于不同光束的平移量之間基本成倍數(shù)關(guān)系,因此保持n,θ不變,通過改變線性變量、平行四邊形的高a來改變平移量。下面依然分兩種位置關(guān)系情況來介紹光束的重排合并。2.2.4慢軸光束速度由圖8可知,在這種情況下,光束的平移應發(fā)生在快軸方向上,并且平移量較大,因此采用光束兩兩一組等量逐級向中間平移的方式使光束合并,實驗裝置如圖12所示。為使每一對光束向中間位置平移量相同,各組棱鏡均采用邊長相等(a=b)的菱形六面體,其參數(shù)如表1所示。射線追記方法得到的輸出光斑如圖13所示。圖中光斑尺寸為0.6629mm(快軸-水平)×1.0497mm(慢軸-豎直)。光束快軸和慢軸方向的遠場發(fā)散角分別為7.4195mrad和18.3210mrad。因此兩個方向上的光束參數(shù)乘積分別為BPPf=ωfθf=0.6629×7.4195=4.9184mm·mradBPPs=ωsθs=1.0497×18.3210=19.2316mm·mrad慢軸與快軸方向的光束參數(shù)乘積之比為BPPs/BPPf=19.2316/4.9184=3.9101將以上結(jié)果與未經(jīng)任何整形處理的條形LD陣列輸出光束的BPP相比較可以看出,在發(fā)光區(qū)慢軸與主軸重合的拋物面反射鏡放置情況下(圖4(a)),整形后的輸出光束的快軸質(zhì)量稍有變差(BPPf變大),但慢軸質(zhì)量卻得到很大的改善(BPPs變小),并且BPPs/BPPf明顯變小,快慢軸光束質(zhì)量的嚴重不對稱性得到了改善,兩個方向的光束質(zhì)量基本均衡。這將非常有利于提高輸出光束的亮度并使條形LD陣列更適合作為光纖激光器的泵浦源。整形后光束經(jīng)球透鏡聚焦后的光斑大小僅為0.1328mm(快軸-水平)×0.1325mm(慢軸-豎直),這樣的光斑大小對于泵浦雙包層光纖非常有利。2.2.5慢軸—發(fā)光區(qū)慢軸與主軸成45°角時光束的合并重排由圖10可知,在這種情況下,光束的平移應發(fā)生在慢軸方向上,為避免各發(fā)光區(qū)光束折射次數(shù)的不均衡,采用兩側(cè)光束逐步向中間平移的方式進行光束的合并,實驗裝置如圖14所示,圖中各棱鏡參數(shù)如表2所示。射線追記方法得到的輸出光斑如圖15所示。圖中光斑尺寸為0.6618mm(快軸-水平)×0