用于半导体激光器光束整形的衍射光学元件的设计研究

采用模拟退火法（ＳＡ）和输入 输出法（Ｉ-Ｏ）相结合的算法（ＳＡＩＯ）设计了８台阶的衍射光学元件，将椭圆高斯分布的激光束变换到均匀圆光束，转换到圆均匀区的能量效率达到了９１.９％．计算结果表明，用ＳＡＩＯ设计得到的输出波形边缘陡直，在平顶区的起伏和光滑程度比单独使用ＳＡ或Ｉ-Ｏ有明显改善 关键词：     

微透镜阵列误差对半导体激光匀化性能的影响

为了减小微透镜阵列误差对匀化光斑的影响,深入研究微透镜阵列光束匀化系统中微透镜阵列相对位置误差对光束匀化性能的影响,设计了一种微透镜阵列光束匀化系统。依据相对位置误差类型的不同,将双列微透镜阵列间六个自由度变化导致的误差分为距离误差、偏移误差以及转动误差进行分析,并对每种误差对光束匀化性能的影响进行了研究。采用6板条条半导体激光器堆栈对上述匀化系统进行实验验证,实现了均匀性为90.75%的光斑,并对系统影响光斑性能的原因进行了分析。     

微透镜阵列误差对半导体激光匀化性能的影响

为了减小微透镜阵列误差对匀化光斑的影响,深入研究微透镜阵列光束匀化系统中微透镜阵列相对位置误差对光束匀化性能的影响,设计了一种微透镜阵列光束匀化系统。依据相对位置误差类型的不同,将双列微透镜阵列间六个自由度变化导致的误差分为距离误差、偏移误差以及转动误差进行分析,并对每种误差对光束匀化性能的影响进行了研究。采用6板条半导体激光器堆栈对上述匀化系统进行实验验证,实现了均匀性为90.75%的光斑,并对系统影响光斑性能的原因进行了分析。     

基于双柱透镜慢轴准直激光二极管堆栈光束匀化系统

为实现高功率激光二极管堆栈光束的匀化与整形,提出基于双柱透镜慢轴准直的匀化系统。利用双柱透镜实现对高填充因子激光二极管慢轴方向光束发散角度的压缩,降低成像型多孔径光束积分器中微透镜的数值孔径,减小匀化系统体积。通过三个限定条件确定了双柱透镜参数取值范围,并通过像差分析对双柱透镜进行了优化,实现慢轴方向光束剩余发散角度1.74。结合成像型多孔径光束积分器,设计了激光二极管堆栈的匀化系统,并进行了实验测试。实验结果表明,在中心光斑尺寸约为6 mm6 mm范围内,光斑不均匀性为8.11%。     

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

提出用微片棱镜推实现大功率激光二极管线列阵器件的光束整形,进而实现光纤耦合输出。利用这一技术得到了直径为６００μｍ的光纤耦合输出的大功率半导体激光,总效率大于５０％。它具有易于制造、调整简便、结构简单的优点。文中从理论、计算机模拟以及实验三个方面对微片棱镜堆的整形进行了分析讨论。     

高功率叠阵二极管激光器光束整形

采用光线追迹法详细分析线阵二极管激光器经微球面柱透镜快轴准直后的光强变化情况,利用快轴准直微球面柱透镜的球差可调整输出激光光强分布的特性,得出了快轴准直输出发散角约5时光强分布具有较好的平顶形式。根据叠阵二极管激光器输出光的特点,设计了由25个二极管激光器组成的叠阵二极管激光器的光束整形输出系统,该系统由快轴准直微透镜、快轴耦合透镜和慢轴耦合透镜组成,把需要泵浦的激光介质薄片设计在快轴耦合透镜的焦点上,并且在慢轴耦合透镜的成像面附近,得到了7 mm8 mm的泵浦光斑,光强不均匀性约10%,输出效率达到85%。     

闪耀光栅阵列用于半导体激光器列阵光束整形

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 μm,数值孔径0.22的光纤耦合.     

紫外衍射微透镜阵列的设计与制备

为了提高紫外焦平面阵列的填充因子,可以通过微透镜阵列与紫外焦平面阵列的集成,以改善紫外焦平面阵列的探测性能。根据标量衍射理论设计了用于日盲型紫外焦平面阵列的128×128衍射微透镜阵列,其工作中心波长为350nm,单元透镜F数为F/3.56。采用组合多层镀膜与剥离的工艺方法制备了128×128衍射微透镜阵列,对具体的工艺流程和制备误差进行了分析,测量了衍射微透镜阵列的光学性能。实验结果表明:衍射微透镜阵列的衍射效率为88%,与理论值95%有偏差,制备误差主要来自对准误差和线宽误差。紫外衍射微透镜阵列具有均匀的焦斑分布,与紫外焦平面阵列单片集成能较好地改善器件的整体性能。     

基于微透镜阵列的大功率紫外激光匀化技术

应用于激光剥离、激光退火、激光转移等领域的大功率纳秒紫外激光器的输出激光通常是强度分布不均匀的部分相干光,为满足精密加工的高均匀度要求,开展了基于成像型微透镜阵列的紫外激光匀化技术研究。利用伪模分解理论和角谱衍射传输算法,建立了快速计算部分相干光通过微透镜阵列匀化系统的数值模型,并以准分子激光为仿真光源,通过对离焦量、阵列间距等参数的分析,确定了最佳设计参数,实现了边缘锐利的高均匀度方形光束输出。此外,详细讨论了微透镜阵列失调对光束形貌和均匀度的影响,并通过实验说明了理论设计的可靠性和参数影响分析的准确性。     

小F数衍射微透镜阵列光学性能研究

本文基于小光点扫描,在国内首次提出了一种测试小F数衍射微透镜阵列光学性能的方法.利用光通信用半导体激光器和探测器建立了一套测试系统,并对所研制的大阵列,小单元尺寸的多相位菲涅耳衍射微透镜阵列的衍射效率和点扩散函数进行了测试.结果表明,衍射微透镜实际衍射光斑比理论衍射受限光斑扩展不大,8相位和16相位石英微透镜的衍射效率分别高达80.2%和87.5%,说明本实验室对多相位的设计理论和制作工艺已基本掌握,满足应用的要求.     

半导体激光耦合新方法

提出了一种脱离国外模式的半导体激光耦合新方法,使用该方法既可以直接将半导体激光耦合成亮度均匀、光束参数积（BPP）值在两个方向相等的方形光斑,也可和光纤耦合得到一个圆形光斑,且只用球面镜和柱面镜两种光学元件,不需采用国外方法中用到的其它类型微光纤元件。将系统的出瞳作为光斑来解决亮度均匀分布问题;通过消除光源间隔对BPP值的影响来减小慢轴的BPP值;利用点光源的特点使快轴和慢轴的BPP值相等。采用该方法设计了各种要求和规格的半导体激光耦合光学系统,如本文设计实例中的参数为：巴条上的光源数为19个,巴条数为21个,故光源总数为399个。得到的方形光斑尺寸为0.6 mm×0.6 mm,NA值为0.22。此外,和直径为1 mm光纤耦合还得到了一圆形光斑。与国外方法比较,该方法结构简单,工艺要求低,更适用于高功率、低BPP值的半导体激光器。     

飞秒平顶光束经微透镜阵列在熔融石英中的成丝及其超连续辐射

实验研究了平顶激光光束经微透镜阵列在熔融石英中成丝的演化以及超连续辐射的产生,并进一步与高斯光束的成丝和超连续辐射进行了对比研究.分别对这两种光束的多丝传输进行了横向和纵向成像.结果表明,使用平顶光束可以获得更为均匀的多丝分布,成丝的起点也更为一致;尤其重要的是,相对于高斯光束,平顶光束可以使用更高的入射激光脉冲能量而不会造成介质的损伤,从而可以获得更高脉冲能量和更高转换效率的超连续辐射.     

半导体激光器光束质量改善新技术综述

半导体激光器是一种重要的光电器件,其出射光束的质量改善在应用中具有十分重要的意义。介绍了采用折射原理的渐变折射率透镜光束改善系统,以反射原理为依据的高精度反射元件,以衍射理论为基础的二元系统和多原理结合的光束性能改善系统。对近期国内外出现的像散梯度渐变折射率透镜、液胞器件、独立反射元件等新技术进行了阐述。     

大功率高光斑均匀性半导体激光复合光源

 为了获得具有更高输出功率和良好光斑分布均匀性的半导体激光光源,根据半导体激光优良的偏振特性,利用偏振分光棱镜将2束大功率激光束合成为一束更大功率的光束,通过一个发射系统投射。在光束合成前采用非球面光学系统对每个激光器慢轴方向的光束进行扩束,使其与快轴方向光束发散角基本一致。实验证明,此种半导体激光复合光源具有良好的光斑均匀性,其输出功率是2个半导体激光器输出功率之和,完全满足激光制导等军用系统对激光功率和光斑均匀性的要求。     

微透镜阵列光学相控阵扫描技术研究进展

光学相控阵光束扫描技术在激光雷达、空间光通信和光开关等领域拥有巨大的应用潜力。微透镜阵列光学相控阵可以通过微透镜阵列间μm量级的相对位移同时对多个出射光束的二维倾斜相位进行调制,从而实现大角度二维光束扫描,具有出射口径大、结构简单、体积小、微惯性、多功能等优点。首先介绍了微透镜阵列光学相控阵的扫描原理,之后对微透镜阵列光学相控阵国内外的发展现状、应用和现阶段存在的问题进行了阐述,最后对微透镜阵列光学相控阵的发展趋势进行了展望。

     

列阵半导体激光器的噪声

重点报道列阵GaAs-AlGaAs激光器相对强度噪声的测量结果,并和单元器件作了比较.实验测量包括相对强度噪声和驱动电流、调制频率以及温度的关系,并验证了在这些情况下相对强度噪声在激光器处于阈值时具有最大值的理论予言.     

Estimation of the laser beam enabling rectangular processing by the inverse diffraction theory

A small rectangular laser spot has been widely studied for laser processing and laser repair technology. It is usually made by converging the input beam with the lens. Faithful reproduction of the laser spot is dependent on NA of the imaging lens. The small rectangular spot can be obtained by high NA lens, which is limited by many factors, such as high energy loss due to the reflection on the surface, large mass and volume, and strong sensitivity to aberrations and misalignment. On the other hand, the beam cannot be faithfully reproduced because of the diffraction with the low NA lens which has no such the limitations. One of the alternative ways to produce small rectangular profiles by using the low NA lens system is to estimate the input beam profile leading to the output profile of the sharp rectangular shape.     

Design and fabrication of a negative microlens array

An operation model of a negative microlens array is demonstrated. The array consists of two kinds of materials with different refractive indices. First of all, a positive microlens array with 256×256 elements serving as a pattern is fabricated by argon ion beam etching on the quartz. The diameter and average corona height of the element are 28 and 0.638 μm, respectively. The spacing between two neighboring elements is 2 μm. In the second phase, after being coated by epoxy, the positive microlens array pattern is spun and baked, leading to a complex negative microlens array. Surface stylus measurement shows that the surface of the positive quartz microlens array is smooth and uniform. Focal length measurement of the negative microlens array indicates that the focal length region with −731±3 μm is in good agreement with the theoretical calculation value of −729 μm.     

Direct ultrafast laser micro-structuring of materials using programmable beam shaping

Using active and programmable focal-spot shaping, we demonstrate direct femtosecond laser micro-structuring of materials. Surface marking as well as drilling with user-defined geometrical shapes of small dimensions (20 μm) are performed, without moving the laser beam nor the material target.