基于非成像光學(xué)的光束分割重排的整形方案

基于非成像光學(xué)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(jī)（1d）及其陣列（1darry，lda）的主要特點(diǎn)是高效、穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(biāo)記和激光加工固體微波機(jī)。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(qiáng)度較低,直接作為泵浦源的效率非常低,必須先對(duì)其輸出光束進(jìn)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(gè)發(fā)光區(qū)構(gòu)成,每個(gè)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(gè)長(zhǎng)而窄的條形發(fā)光區(qū)以一定的間隔彼此端對(duì)端(慢軸方向)連接,因此較大的發(fā)光區(qū)間隔也導(dǎo)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(shí)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。現(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(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一種用于大功率條形LD陣列的整形方案,利用其對(duì)光束進(jìn)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(jìn)一步處理和應(yīng)用。文中給出了用Zemax進(jìn)行仿真優(yōu)化的結(jié)果并利用光束參數(shù)乘積對(duì)整形前后的光束質(zhì)量進(jìn)行了分析和比較。1束腰寬度和遠(yuǎn)場(chǎng)擴(kuò)散角激光的光束質(zhì)量可以由光束參數(shù)乘積進(jìn)行比較全面的評(píng)價(jià)。光束參數(shù)乘積(beamparameterproduct,BPP)是光的束腰寬度ω和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角θ的乘積。BPP值越大,光束質(zhì)量越差。對(duì)于確定光束,其BPP不能經(jīng)通常的聚焦成像光學(xué)系統(tǒng)而改變,因此對(duì)于快慢軸發(fā)光區(qū)極不對(duì)稱(chēng)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(jiǎn)化計(jì)算,本文采用光強(qiáng)降至軸上光強(qiáng)的10%來(lái)表征光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散全角,并用它與近場(chǎng)的光斑的最小直徑的乘積來(lái)表征整形后輸出光束的光束質(zhì)量。2復(fù)合性實(shí)施角以總功率10W,由10個(gè)彼此間隔900μm的發(fā)光區(qū)組成的條形LD陣列為例,設(shè)計(jì)進(jìn)行光束整形。條形LD陣列單個(gè)發(fā)光區(qū)尺寸」f×」s=1μm×100μm,其快慢軸的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角為θf(wàn)×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(wàn)=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(zhǔn)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(gè)發(fā)光區(qū)沿慢軸方向彼此間隔相接,快軸方向相當(dāng)于僅有一個(gè)發(fā)光區(qū),因此快軸光束的準(zhǔn)直只需一個(gè)微柱透鏡即可實(shí)現(xiàn)。準(zhǔn)直原理如圖1所示?？燧S發(fā)散的光束經(jīng)過(guò)適當(dāng)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(zhǔn)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(zhǔn)直后光束的快軸半發(fā)散角。圖中兩條虛線(xiàn)是光束入射出射界面的法線(xiàn)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(zhǔn)直后光束的半發(fā)散角的表達(dá)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L(zhǎng)D出光面和柱透鏡軸線(xiàn)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(gè)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(lèi)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(duì)快軸光束進(jìn)行準(zhǔn)直。通過(guò)改變透鏡位置參數(shù)d可以改變準(zhǔn)直后光束的發(fā)散角。圖2所示為準(zhǔn)直后光束的半發(fā)散角隨LD出光面和柱透鏡軸線(xiàn)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(xiàn)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(zhǔn)直效果,最終選取d=0.062mm進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果顯示,準(zhǔn)直后光束的快軸發(fā)散角僅為全角0.01°。與幾何光學(xué)計(jì)算的公式計(jì)算結(jié)果略有不同,這是由于在射線(xiàn)追跡仿真中計(jì)算發(fā)散角時(shí)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(lái)反映光斑尺寸,因此發(fā)散角比幾何光學(xué)的要小也更加符合實(shí)際。然而,幾何光學(xué)分析表明的變化規(guī)律卻與仿真結(jié)果一致,準(zhǔn)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(shè)計(jì),選擇柱透鏡長(zhǎng)度與發(fā)光區(qū)慢軸長(zhǎng)度一致為10mm,并放置圓柱透鏡使其軸線(xiàn)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(dāng)于LD發(fā)光區(qū)在光束傳播方向上的延伸,對(duì)各個(gè)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(méi)有影響。實(shí)際操作中可將圓柱透鏡安放在一個(gè)獨(dú)立的U型軛上,并將此U型軛貼附在一個(gè)四軸的調(diào)節(jié)器上,調(diào)節(jié)器的一個(gè)傾斜軸用來(lái)調(diào)節(jié)圓柱透鏡的軸和LD發(fā)光面的軸平行,兩個(gè)平移軸用來(lái)調(diào)節(jié)焦距和橫向位移。仔細(xì)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(dǎo)致LD陣列中各二極管排列不共線(xiàn)、存在彎曲的現(xiàn)象(smile)有所加重。2.1.2慢軸光束準(zhǔn)直的各參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)為了對(duì)慢軸光束進(jìn)行準(zhǔn)直,為每個(gè)發(fā)光區(qū)引入一個(gè)拋物面反射鏡,其軸面剖視圖為一1/2拋物線(xiàn),如圖4所示。拋物面即由此拋物線(xiàn)在垂直軸線(xiàn)方向上拉伸得到。顯然,由焦點(diǎn)出射的光線(xiàn),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(guò)設(shè)計(jì)未準(zhǔn)直光束的入射方式來(lái)優(yōu)化準(zhǔn)直后光束的光斑尺寸。首先,假設(shè)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(diǎn)發(fā)出(理想光束),如圖4中實(shí)線(xiàn)所示。這種情況下,影響拋物面反射鏡大小和準(zhǔn)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(duì)全角10°的理想慢軸發(fā)散光束準(zhǔn)直所必需的拋物面反射鏡慢軸方向的長(zhǎng)度(l)和準(zhǔn)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(shì)基本一致:在β很小時(shí)(小于7°)隨β增加而迅速增大;當(dāng)β繼續(xù)增大(7°～90°),又隨β增大而緩慢減小。對(duì)于慢軸光束的準(zhǔn)直,希望在保證較小的出射光束發(fā)散角同時(shí),光斑w越小越好;而拋物面反射鏡慢軸方向的長(zhǎng)度l也是越小越好,這是因?yàn)槊總€(gè)發(fā)光區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)拋物面反射鏡,如果其尺寸過(guò)大,相鄰發(fā)光區(qū)之間的光束就會(huì)被它遮擋,無(wú)法分別實(shí)現(xiàn)各自的慢軸光束準(zhǔn)直。在我們此次設(shè)計(jì)中,由于慢軸共10個(gè)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(shí)際操作中,由于各個(gè)發(fā)光區(qū)共線(xiàn),慢軸傾角β也不能選得過(guò)大,若β過(guò)大,拋物面反射鏡的反射光束就會(huì)被LD發(fā)光面本身(共10mm長(zhǎng),圖4中粗短實(shí)線(xiàn))阻擋,不僅無(wú)法繼續(xù)進(jìn)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(zhǔn)直效果和光路暢通。我們選擇β為0°和45°的兩種情況進(jìn)行設(shè)計(jì),分別對(duì)應(yīng)圖4中a,b情況。以上對(duì)于拋物面反射鏡放置傾角的分析是在假設(shè)發(fā)光區(qū)沒(méi)有大小的情況下進(jìn)行的,當(dāng)考慮發(fā)光區(qū)本身的大小(100μm)時(shí),入射光束不再是由一點(diǎn)發(fā)出(如圖4中虛線(xiàn)),出射光束也將不再?lài)?yán)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(jì)近似當(dāng)作一點(diǎn)來(lái)處理,以保證出射光束基本平行,還需要對(duì)拋物面本身的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇。圖4所示的拋物線(xiàn)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(duì)應(yīng)于軸面拋物線(xiàn)焦點(diǎn)到準(zhǔn)線(xiàn)的距離,對(duì)應(yīng)于數(shù)學(xué)上拋物線(xiàn)頂點(diǎn)的曲率半徑,p越大拋物線(xiàn)開(kāi)口越大。為了使100μm的發(fā)光區(qū)相對(duì)于拋物面的尺寸可以近似作為一點(diǎn)處理,就要求頂點(diǎn)到焦點(diǎn)的距離(p/2)遠(yuǎn)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(shí),l,w盡量小的要求。因此只能在滿(mǎn)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(jiǎn)單驗(yàn)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(xiàn)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(gè)發(fā)光區(qū)的快軸垂直于拋物面反射鏡的對(duì)稱(chēng)軸剖面,并且慢軸與軸面拋物線(xiàn)的主軸成一定角度(β)。在實(shí)際操作中,由于10個(gè)發(fā)光區(qū)在慢軸方向上共線(xiàn),可以將10個(gè)相同的拋物面反射鏡按相對(duì)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(gè)拋物面反射鏡按其確定的相對(duì)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(shí)精確控制相鄰兩拋物面反射鏡之間的相對(duì)位置比較困難。具體的拋物面反射鏡制作過(guò)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(zhǔn)直后的光束快、慢軸方向的發(fā)散角都很小,不會(huì)隨傳輸距離增加而迅速發(fā)散,因此非常適合于進(jìn)一步的光束整形。在之前慢軸準(zhǔn)直的過(guò)程中,各個(gè)發(fā)光區(qū)已經(jīng)彼此分開(kāi)獨(dú)立操作,若在此基礎(chǔ)上將各個(gè)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(duì)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(guò)線(xiàn)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(gè)發(fā)光區(qū)的慢軸在同一直線(xiàn)上,即相應(yīng)的10個(gè)完全相同的拋物面反射鏡的主軸也位于同一直線(xiàn)上,各個(gè)發(fā)光區(qū)光束經(jīng)拋物反射鏡準(zhǔn)直旋轉(zhuǎn)后彼此等高,并且會(huì)被相鄰的拋物面反射鏡遮擋而無(wú)法輸出,因此采用10個(gè)完全相同的平面反射鏡將準(zhǔn)直后的慢軸光束一一取出(如圖7所示),即令各個(gè)發(fā)光區(qū)的輸出光斑彼此分開(kāi),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(kuò)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(yīng)的10個(gè)焦距相同的拋物面反射鏡呈階梯狀依次升高,從而使準(zhǔn)直后的輸出光束也呈階梯狀依次升高。在這種情況下,因?yàn)閽佄锩娣瓷溏R彼此不等高,因此準(zhǔn)直后的輸出光束不會(huì)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(gè)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(wèn)題,為每個(gè)發(fā)光區(qū)配備一對(duì)平行的平面反射鏡,使各個(gè)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(gè)發(fā)光區(qū)對(duì)應(yīng)的第二個(gè)平面反射鏡的位置可以使得各個(gè)光束在快軸方向上的平移量互相成倍數(shù)關(guān)系,進(jìn)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?cè)谠摲较蛏献鲞m當(dāng)?shù)钠揭?彼此交錯(cuò)填滿(mǎn)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(jìn)行分割后光束重排合并的關(guān)鍵。因?yàn)楣馐钠揭浦辉谝粋€(gè)軸向上進(jìn)行,且光束在另一個(gè)軸向上存在寬度,因此利用平行六面體棱鏡即可實(shí)現(xiàn)這一功能。平行六面體棱鏡制作簡(jiǎn)單,易于調(diào)節(jié)位置,并且配合多個(gè)發(fā)光區(qū)而采用的多個(gè)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(guò)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(dāng)選取其平行四邊形面的頂角,使它的一對(duì)邊剛好與折射光線(xiàn)平行(如圖11),這樣得到的平行六面體尺寸最小,對(duì)其他光線(xiàn)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(guò)改變a,n,θ來(lái)改變。在本次整形方案設(shè)計(jì)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(guò)改變線(xiàn)性變量、平行四邊形的高a來(lái)改變平移量。下面依然分兩種位置關(guān)系情況來(lái)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(yīng)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(jí)向中間平移的方式使光束合并,實(shí)驗(yàn)裝置如圖12所示。為使每一對(duì)光束向中間位置平移量相同,各組棱鏡均采用邊長(zhǎng)相等(a=b)的菱形六面體,其參數(shù)如表1所示。射線(xiàn)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(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角分別為7.4195mrad和18.3210mrad。因此兩個(gè)方向上的光束參數(shù)乘積分別為BPPf=ωfθf(wàn)=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(yán)重不對(duì)稱(chēng)性得到了改善,兩個(gè)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(duì)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(shí)光束的合并重排由圖10可知,在這種情況下,光束的平移應(yīng)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(jìn)行光束的合并,實(shí)驗(yàn)裝置如圖14所示,圖中各棱鏡參數(shù)如表2所示。射線(xiàn)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