基于ZEMAX的半导体激光器匀光设计

为了满足半导体激光器能量均匀化的应用需求,基于ZEMAX光学设计软件设计了一套光束整形匀光系统。采用非球面镜与倒置柱面镜望远系统的透镜组合对单模半导体激光器进行准直,得到近似高斯圆光斑;在推导了基模高斯强度分布的匀光投影半径的基础上,利用ZEMAX优化得到两个非球面镜组成的匀光透镜组,在一定范围内可获得能量均匀度达96%以上的圆光斑。同时,实现了一个大功率半导体激光器光纤耦合模块的能量匀化设计,满足对能量匀化要求较高的应用。结果表明,该研究为半导体激光器能量均匀化的应用提供了有效方法。     

二维光束整形系统设计与仿真

针对高功率板条激光波前矫正的需要,基于ZEMAX软件对二维光束扩束整形系统进行设计和仿真。系统将初始尺寸为2.5 mm×28 mm,发散角为7 mrad×2 mrad矩形光束扩束整形为尺寸为40 mm×40.2 mm,发散角为0.54 mrad×1.3 mrad的方形光束。光束整形方向输出光学传递函数接近衍射极限,光束整形方向视场10 mrad时,两方向引入波像差之和为0.0186 λ,P-V值小于0.1 λ。     

垂直叠阵半导体激光器输出光束均匀化的研究

本文针对垂直叠阵半导体激光器提出了基于棱镜锥体的光束均匀器件,利用软件ZEMAX仿真了具有正方形和正三角形输出端面的棱镜锥体输出光束特性,研究表明,正三角形输出端面棱镜锥体可以实现均匀的光强分布,并且快慢轴方向上的光束发散角度近似相等。     

非球面透镜组激光光束整形系统

在激光显示等领域常常需要光强均匀分布的激光光束,为此,深入分析了一种非球面透镜组激光光束整形系统的设计方法,该方法可以将入射光束为准直的单模高斯激光光束整形为光强均匀分布的准直平顶激光光束;给出了该非球面透镜组设计的基本过程,主要包括输出光束函数的选择、光线映射函数的确定和非球面参数的确定;最后选择光线映射函数具有解析解形式的匀化洛伦兹函数作为输出光束分布函数,分别确定了伽利略型和开普勒型的非球面透镜组激光光束整形系统的参数。     

基于均匀度和平稳度的激光光束匀化性评价

针对激光光束匀化的目的和特性,对现有的光束匀化性评价方法进行了分析,说明了这些方法的特点和存在的问题。提出了一种基于均匀度和平稳度的光束匀化性评价方法,该方法使用面阵CCD采集激光光强分布图像,通过图像处理分析光斑图像,采用均匀度和平稳度评价方法对光斑的整体能量分布和散斑进行评价。实验结果表明该评价方法可以较好地反映激光光束匀化状况。     

基于非球面镜像差效应的长焦深高斯光束均匀化光学系统设计

近红外高斯激光束在强激光与材料相互作用、激光清洗、激光燃烧诊断等热点研究领域中发挥着重要的作用。然而,高斯光束能量分布的不均匀性阻碍了这些领域的深入发展。为提高工作效率和测量精度,实际应用中往往期望光束能量在较大工作距离内呈均匀分布,但现有光束整形方法无法同时满足长焦深和高激光耐受功率要求。为此,本文基于非球面像差效应提出并设计了一种新型长焦深高斯激光束均匀化光学系统,系统由非球面光束均匀化系统和球面长焦准直系统两部分组成,所有透镜均采用熔融石英并在其表面镀有增透膜,能够实现99.9%的光学系统传输效率。系统工作波段为1064 nm,工作距离为1000 mm,系统总长为135.2 mm,耐受激光功率不小于300 W。设计结果表明:整形后的平顶高斯光束有效焦深为±100 mm,光束均匀性≥95%,会聚角为17.52 mrad,能够满足上述应用场景的实际需求。本文设计的光束整形系统相比于其他激光光束均匀化系统,具有结构简单、易于加工、成本低、焦深长、耐受激光功率高、光束均匀化效果好的特点。     

基于随机微透镜列阵的激光光束匀化方法

利用微透镜列阵实现光束的分割和叠加是一种典型的光束匀化方法。而在微透镜列阵实现激光光束匀化时,由于微透镜列阵的周期性和激光的相干性,匀化光斑会产生周期性点阵分布现象,降低了光束匀化质量。提出一种利用中心离轴型随机微透镜列阵消除点阵效应以实现激光光束的匀化方法。在分析光束经过微透镜列阵的传播特性基础上,设计列阵中各个子透镜单元的几何中心偏离其光轴,利用中心离轴量的随机性打破微透镜列阵的周期性,消除目标面处的点阵现象,实现高均匀性的光斑分布。采用移动掩模技术制备随机微透镜列阵,并开展激光光束匀化实验。结果表明,该方法能够有效提高激光光束的均匀性,有望在激光加工、医疗和照明等方向有较大的应用前景。     

双光路合成系统光束耦合精度研究

为了增加激光干扰系统对抗光电装备的种类,提出了一种高脉冲能量高重复频率混合型激光干扰方法,并介绍了这种激光干扰方法的核心部分一双光路合成系统的工作原理.在此基础上,分析了双光路合成系统中激光发散角、光束传输距离和出射面处光斑中心距离等重要参数与远场光束耦合精度的关系.利用ZEMAX软件对双光路合成系统进行了仿真,将理论分析结果与仿真结果进行比较,两者基本吻合,从而验证了这种理论分析方法的可行性.这一结果为双光路合成系统中重要参数值的设置提供了依据.     

激光光束传输特性分析─—等效波面曲率半径法

本文提出了利用光束等效波面曲率半径,并结合束宽及远场发散角来测量分析激光光束传输特性的方法,能以较高的精度确定激光光束的束腰位置z0,束腰处的束宽D0及激光光束质量传输因子M2.这是一种可用于连续,重复频率脉冲及单脉冲激光光束传输特性的分析测量方法。文中还给出了实现这一方法的具体测量方案。     

利用单片非球面透镜实现激光束整形

在非球面透镜组进行激光束整形的技术基础上,设计了应用于TEA CO2激光光束整形的单片非球面镜光束整形系统.基于几何光学原理,利用能量守恒定律和等光程条件进行系统理论模型求解.通过使用龙贝格数值积分和非线性最小二乘法,获得非球面透镜前后两面的矢高.最后,通过光学设计软件ZEMAX进行系统性能优化,并对其可加工性进行了分析.实验结果表明,出射光束的光程差(OPD)为±0.01λ,峰谷值误差为0.0002λ,输出基本为平行光.该方法能有效避免双分离透镜结构系统的筒长过长、不易调节的弊端,使器件结构变得简单,便于加工装调.     

激光光束传输特性分析─—等效波面曲率半径法

本文提出了利用光束等效波面曲率半径，并结合束宽及远场发散角来测量分析激光光束传输特性的方法，能以较高的精度确定激光光束的束腰位置ｚｏ，束腰处的束宽Ｄ＿ｏ及激光光束质量传输因子Ｍ￣２。这是一种可用于连续，重复频率脉冲及单脉冲激光光束传输特性的分析测量方法。文中还给出了实现这一方法的具体测量方案。     

光束质量超过全固态激光器的千瓦直接半导体激光器

介绍了采用多波长耦合和偏振耦合的方式实现千瓦级高功率半导体激光输出的方法.通过光束整形的方法,实现了快慢轴光束参数积对称化,激光器输出激光光束质量小于12 mm·mrad,超过了全固态激光器的光束质量;激光器光-光转换效率达到87.5%.并通过智能化控制,实现了不同波长、不同功率、不同脉冲宽度的激光输出.     

高斯光束整形为平顶光束的双凸非球面镜的数值模拟与分析

在高斯光束整形为平顶光束的理论基础上,通过数值模拟,具体分析几个特性参数对两个凸非球面镜的子午截面曲线的影响,根据ZEMAX等光学软件对非球面镜子午截面曲线表达式输入要求,拟合得到误差尽可能小的双凸非球面镜系统结构。     

利用光束质量分析仪测量M~2因子

激光光束质量是激光器的一个重要技术指标,激光光束质量因子是反映激光光束质量的重要参数。介绍了一种利用光束质量分析仪来精确测量激光光束质量因子的方法,通过透镜将激光束进行聚焦变换,在透镜后方得到腰斑远场变化,利用光束质量分析仪,沿光轴等间隔测量不同位置的束宽,然后采用双曲线拟合来确定激光光束束腰的大小和位置,从而计算出被测激光光束的质量因子。实验数据采用三点法处理,进行二项式拟合,得出了拟合双曲线的参数,通过计算得到了所测激光的质量因子。用透镜焦点处的实测束宽对拟合值进行验证,结果近似,说明测量的结果是可靠的。利用光束质量分析仪的专业性和高精度,能准确测量出计算光束质量因子所需的参数,比常用的CCD测量方法更精确和便捷,能够很好地得出实验所用激光器的质量。     

大功率激光光束参数的测量方法

利用我们正在研制的新型大功率激光光束光斑质量诊断仪,实现了大功率激光光束横截面的功率密度分布测量,并给出了计算光束位置、束宽、焦点位置、焦斑大小、发散角、焦深和光束质量因子等相关光束参数的数学处理方法。     

高功率激光器的光束控制研究

对强激光光束控制和参数评价等强激光领域的一些理论作了介绍和分析,以平顶高斯光束(FGB)为例,推导出了它通过无光阑和有光阑的近轴ABCD光学系统传输的解析表达式.阐述了几种实用光束传输变换的方法,总结了影响强激光光束质量的主要因素.以高功率激光的应用需求为背景,研究高功率激光的光束传输变换、光束质量评价和光束控制问题,为相关领域应用提供理论基础和计算依据.     

高能激光光束质量的评价方法

分析常用光束质量定义用于评价高能激光时的局限性。考虑高能激光系统的组成,由激光器出射光束到高能激光发射系统出口光束以及考虑大气对高能激光作用后靶面上形成光斑的光束质量的评价、层层推进给出高能激光在能量空间输运应用中光束质量的评价方法,依据该套评价方法可以将影响高能激光系统光束质量的各个因素分离出来,便于高能激光系统的试验研究及发展。     

提高半导体激光二极管功率密度的光束整形方法

针对半导体激光二极管由束散角大（14~46）导致的激光功率密度在传播过程中不断衰减的问题,提出了一种提高激光功率密度的光束整形方法。首先以X型柱面平凸透镜和Y型柱面平凸透镜对激光二极管输出光束慢轴和快轴方向进行准直,然后通过一对平凸透镜组合进行扩束,进一步提高光束平行度,最后由单片平凸透镜将光束聚焦为高功率密度的光点。采用Light Tools软件仿真光路、优化光学元件参数,对光学元件进行实际选型后安装并调试光束整形系统。测试结果表明:半导体激光二极管输出光束的67%激光能量汇聚于直径1 mm圆内,激光功率密度优于30 W/cm2。     

高功率半导体激光堆栈双波长合束及聚焦系统

针对两种波长的直接高功率半导体激光堆栈,为适应半导体激光在材料加工方面的需求,设计一种双波长合束及长焦距光学系统。首先,利用快慢轴准直镜对两种波长的激光堆栈进行初步准直,然后,用双波长合束镜将其合束。进而,利用倒置开普勒望远系统原理对慢轴光束进一步扩束准直,最终,用快慢轴聚焦镜实现同步聚焦。利用光参数积原理对聚焦系统进行理论分析,并根据瑞利长度公式计算出焦深。用ZEMAX软件对整个光路进行光线追迹,得出模拟结果。根据理论分析和软件模拟,开展相应实验。经合束和聚焦,实现焦距300 mm,焦点尺寸2.0 mm4.0 mm的聚焦光斑,输出功率5 000 W,功率密度达104瓦级。最后讨论该系统影响因素。聚焦光斑可用于激光熔覆,表面处理等工艺。     

二维光束整形的衍射光学元件设计

采用加权串行迭代算法(WSI)设计衍射光学元件(DOE)，将二维圆形高斯分布的激光光束分别整形为二维正方形和三角形的均匀光束，同时实现了光束形状改变及振幅分布均匀化的功能．模拟计算结果表明，用WSI设计得到的输出波形形状基本达到要求，转换到均匀区的能量效率分别达到95．3％、93．6％．