【導(dǎo)讀】針對(duì)半導(dǎo)體激光二極管由束散角大（14°~46°）導(dǎo)致的激光功率密度在傳播過(guò)程中不斷衰減的問(wèn)題，提出了一種提高激光功率密度的光束整形方法。
首先以X型柱面平凸透鏡和Y型柱面平凸透鏡對(duì)激光二極管輸出光束慢軸和快軸方向進(jìn)行準(zhǔn)直，然后通過(guò)一對(duì)平凸透鏡組合進(jìn)行擴(kuò)束，進(jìn)一步提高光束平行度，最后由單片平凸透鏡將光束聚焦為高功率密度的光點(diǎn)。采用Light Tools軟件仿真光路、優(yōu)化光學(xué)元件參數(shù)，對(duì)光學(xué)元件進(jìn)行實(shí)際選型后安裝并調(diào)試光束整形系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明：半導(dǎo)體激光二極管輸出光束的67%激光能量匯聚于直徑1mm圓內(nèi)，激光功率密度優(yōu)于30W/cm2。
0 引言
半導(dǎo)體激光二極管（LD）出射光線單色性好、功率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕，被應(yīng)用于軍事、工業(yè)制造以及航天航空等領(lǐng)域。LD出射光束光軸不對(duì)稱且存在束散角，橫截面光強(qiáng)分布滿足高斯分布，需對(duì)輸出光束進(jìn)行整形。
LD光束整形技術(shù)根據(jù)光線傳播方式主要分為三類：折射法、反射法、衍射法。折射法通過(guò)調(diào)節(jié)透鏡曲率半徑改變折射光束與入射光束的夾角實(shí)現(xiàn)光束整形。赫瑞瓦特大學(xué)Howard J Baker采用單透鏡對(duì)光束進(jìn)行整形，將單透鏡表面加工為曲面形狀。經(jīng)單透鏡折射，出射光束橫截面形狀成為正方形或長(zhǎng)條形，該方法適用于高強(qiáng)度的現(xiàn)代光纖激光器。反射整形法借助全反射光學(xué)元件對(duì)光束在快軸、慢軸方向上的寬度進(jìn)行調(diào)整。南安普頓大學(xué)光電研究中心Clarkson等人提出采用兩個(gè)高反平面鏡實(shí)現(xiàn)快、慢兩個(gè)方向光束質(zhì)量因子的均衡，將光束按照鏡間錯(cuò)位距離分割、分段重排。然而，該方法使得光束在整形器中傳播時(shí)相鄰光束會(huì)發(fā)生部分重疊，對(duì)亮度提高有限制。衍射整形法可實(shí)現(xiàn)光束能量的均勻分布，具備更大的自由度，二元光學(xué)元件設(shè)計(jì)靈活、對(duì)波前控制更為精確。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所劉華使用衍射光學(xué)元件調(diào)制光束的振幅和相位，對(duì)單片折射透鏡進(jìn)行離子刻蝕，使之成為折衍混合元件，實(shí)現(xiàn)光束的整形和聚焦。
光束整形技術(shù)改變激光束散角，使光束具備準(zhǔn)直特征。然而在工業(yè)制造或科學(xué)研究如晶圓激光切割、激光打孔、激光增材制造、物質(zhì)受激輻射研究中，需要對(duì)整形光束進(jìn)一步聚焦，使激光功率密度提高至每平方厘米幾十甚至上百瓦。
反射和衍射方法存在加工周期長(zhǎng)、成本高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝調(diào)精度難以控制等問(wèn)題，而折射整形光學(xué)元件光能轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。因此，文中基于折射法設(shè)計(jì)了先準(zhǔn)直、擴(kuò)束、再聚焦的提高光束功率密度的方法，并搭建實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。
1 LD光束特性及質(zhì)量評(píng)價(jià)
1.1 LD光束特性
LD出射光束為高斯光束，其腰斑半徑在光軸方向總大于一個(gè)最小值，該最小值被稱為束腰半徑ω0，將其對(duì)應(yīng)的位置z=0定義為束腰位置。
高斯光束波前的曲率半徑在z軸方向上的分布滿足：
對(duì)于給定波長(zhǎng)λ的LD，其腰斑半徑在z軸方向上的分布滿足：
此時(shí)光束包絡(luò)線近似為斜率的直線，其與z軸的夾角θ=λ/πω0為L(zhǎng)D的束散角。
LD光束橫截面示意圖如圖1所示，光束在快軸（垂直于結(jié)平面）和慢軸（平行于結(jié)平面）方向以不同束散角出射，其橫截面近似為橢圓形。
圖1 激光二極管出射光束橫截面形狀
光束沿傳播方向上的強(qiáng)度分布可表示為：
式中：I0為z軸上光強(qiáng)；θx和θy分別是光束與x-z面和y-z面夾角；αx和αy分別為x和y方向上高斯強(qiáng)度1/e2點(diǎn)的遠(yuǎn)場(chǎng)束散角；Gx和Gy分別是x和y方向上的“超級(jí)高斯因子”，其值為1時(shí)，是典型的高斯分布。對(duì)于實(shí)際LD，其快軸和慢軸方向上的超高斯因子Gx和Gy均大于1，表征實(shí)際輸出的激光束中除基模外還包含其他的高階模分量。
1.2 光束質(zhì)量評(píng)價(jià)
斯光束的束散角與束腰半徑的乘積即光參量乘積Bpp，滿足：
式中：Bpp在光學(xué)成像系統(tǒng)中為不變量，光束的束腰寬度ω0與束散角θ為反比關(guān)系。
國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）采納光束質(zhì)量因子M2作為光束質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，即：
式中：Bpp為實(shí)際光參量乘積；Bpp00為高斯光參量乘積；光束質(zhì)量因子M2表征實(shí)際光束相比衍射極限（基模高斯光束）的倍數(shù)，將基模高斯光束的束散角θ0=4λ/πω0及公式（4）代入公式（6），則可得：
式中：基模光束的束腰寬度ω0由LD的P-N結(jié)物理結(jié)構(gòu)決定；θ對(duì)應(yīng)實(shí)際光束的束散角。實(shí)際的LD輸出為多模激光束，包含更多的高階模分量，為提高其光束質(zhì)量因子M2，文中通過(guò)透鏡增大光束的束腰寬度，減小束散角θ，同時(shí)在腰斑最小位置放置光闌濾除部分高階模分量。
2 提高功率密度的光束整形系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真
2.1 光束整形系統(tǒng)原理框圖
根據(jù)LD光束特性以及光束評(píng)價(jià)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，采用圖2所示的步驟提高功率密度的光束整形。
圖2 光束整形系統(tǒng)原理框圖
2.2 激光準(zhǔn)直單元設(shè)計(jì)
由公式（1）可知，在瑞利距離處，高斯光束的腰斑半徑為束腰半徑的√2倍，實(shí)際使用中認(rèn)為高斯光束在瑞利距離內(nèi)可看作近似平行光，也稱瑞利距離為準(zhǔn)直距離，因此通過(guò)透鏡變換增加高斯光束的束腰半徑，可以獲得較長(zhǎng)的準(zhǔn)直距離。
由于LD出射光束為橢圓形狀，文中提出一種X型柱面平凸透鏡結(jié)合Y型柱面平凸透鏡的方式進(jìn)行準(zhǔn)直。如圖3所示，首先對(duì)慢軸光束進(jìn)行準(zhǔn)直，光束橫截面形狀長(zhǎng)寬比值為z軸坐標(biāo)值的函數(shù)，在光斑長(zhǎng)寬比最接近1的坐標(biāo)處放置快軸準(zhǔn)直透鏡，使準(zhǔn)直后的光束能量均勻分布于光學(xué)元件中心。
圖3 柱面透鏡對(duì)LD光束準(zhǔn)直示意圖
設(shè)圖3中X型柱面鏡為薄透鏡，焦距為fx，且焦點(diǎn)位于LD高斯光束的束腰位置，由公式（1）、（2）可得，在透鏡處的入射光束波前曲率半徑及腰斑半徑為：
又由透鏡對(duì)球面波（柱面波）的變換公式：
可得到經(jīng)過(guò)X型柱面鏡準(zhǔn)直后的出射光束的束腰半徑、束腰位置及束散角：
同理，對(duì)于Y型柱面鏡，可得準(zhǔn)直后的出射光束的束腰半徑、位置及束散角：
由此可知對(duì)于柱面準(zhǔn)直透鏡，焦距f越大，準(zhǔn)直后的出射光束束腰半徑越大且束散角越小。為實(shí)現(xiàn)光束的進(jìn)一步整形，應(yīng)使得快軸、慢軸方向的光束在準(zhǔn)直后束腰半徑、束散角盡可能相近，由公式（10）、（11）可得X、Y型柱面鏡的焦距關(guān)系需滿足：
同時(shí)要使X、Y方向準(zhǔn)直后的出射光束束腰位置也盡可能接近，應(yīng)滿足：
由公式（4）可知，透鏡焦距f越大，準(zhǔn)直后出射光束的束散角越小，但同時(shí)入射光束在透鏡處的腰斑半徑越大，這使得透鏡的直徑和厚度增大，不再滿足薄透鏡假設(shè)，導(dǎo)致出射光束的球差增加，降低光束質(zhì)量。文中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)置柱面鏡焦距和直徑，如柱面鏡高度可取為20~25mm、透鏡直徑的85%為光束有效準(zhǔn)直范圍等。
2.3 激光擴(kuò)束單元設(shè)計(jì)
準(zhǔn)直單元改善光束的長(zhǎng)寬比和平行度，但柱面透鏡尺寸較小，導(dǎo)致準(zhǔn)直光束腰斑較小。根據(jù)2.1節(jié)光參乘積不變?cè)砜芍瑴?zhǔn)直光束仍存在束散角，為進(jìn)一步壓縮準(zhǔn)直光束的束散角，文中在準(zhǔn)直單元后引入激光擴(kuò)束單元。
激光擴(kuò)束鏡按照組合透鏡類型分為兩種：開普勒式擴(kuò)束鏡和伽利略式擴(kuò)束鏡。如圖4（a）所示，開普勒式擴(kuò)束鏡由一片輸入正透鏡和一片輸出正透鏡以共焦形式組合而成。如圖4（b）所示，伽利略式擴(kuò)束鏡由一片輸入負(fù)透鏡和一片輸出正透鏡以虛共焦形式組合而成，輸入透鏡將虛焦點(diǎn)光束傳遞給輸出透鏡。
圖4（a）開普勒式擴(kuò)束鏡；（b）伽利略式擴(kuò)束鏡
對(duì)比兩種擴(kuò)束鏡共焦方式：在開普勒式擴(kuò)束鏡的焦點(diǎn)處增加針孔光闌，可濾除外界雜散光并截取光場(chǎng)能量的均勻部分，同時(shí)濾除LD光束中部分高階模分量，提高光束質(zhì)量因子M2，而伽利略式擴(kuò)束鏡的虛共焦方式導(dǎo)致其無(wú)法實(shí)現(xiàn)該效果。因此，文中選擇開普勒式擴(kuò)束鏡進(jìn)行激光擴(kuò)束，如圖4（a）所示，柱面組合透鏡出射的準(zhǔn)直光束以束散角θ0′、束腰半徑ω0′輸入擴(kuò)束單元，束腰位置與輸入透鏡L1距離為l1，此時(shí)f1<<l1，由公式（8）可得L1的輸出光束為：
輸出透鏡L2的焦距為f2，其焦點(diǎn)位于ω0″處，由公式（8）可知，擴(kuò)束單元輸出光束的束腰半徑及位置為：
開普勒式擴(kuò)束鏡對(duì)光束的擴(kuò)束倍率為：
式中：M=f2/f1；θ0′為入射光束發(fā)散角；θ0′′′為出射光束發(fā)散角；ω（l）為L(zhǎng)1前表面光斑半徑。
2.4 激光聚焦單元
對(duì)激光束進(jìn)行聚焦可在焦點(diǎn)位置得到高斯光束的最小腰斑，提高光束的功率密度。
對(duì)于給定的聚焦透鏡L3，設(shè)其焦距為f3，由公式（8）可得：
此時(shí)若滿足πω0′′′′2／λ>>f3，且l3>>f3，則可使用焦距較短的透鏡進(jìn)行聚焦，在距離擴(kuò)束單元出射光束束腰位置較遠(yuǎn)的位置處，公式（17）可近似為：
將公式（18）代入激光功率密度公式：
即可求得整形后的激光功率密度。文中根據(jù)期望達(dá)到的功率密度范圍，逆向?qū)劢箚卧U(kuò)束單元和準(zhǔn)直單元進(jìn)行仿真和優(yōu)化。
2.5 光束整形系統(tǒng)仿真及其結(jié)果
采用Light Tools軟件對(duì)光束整形系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以日亞NDB7K75型激光二極管為例，根據(jù)表1參數(shù)設(shè)置LD光源中心波長(zhǎng)448nm，光束慢軸和快軸方向束散角分別為14°、46°，并根據(jù)實(shí)際功率需要設(shè)置光源出射功率為376mW。
表1 NDB7K75激光二極管參數(shù)
仿真時(shí)使用SIGMA KOKI公司生產(chǎn)的透鏡，表2列出了透鏡的參數(shù)，其中f為焦距，r為曲率半徑，A×B為柱面透鏡長(zhǎng)×寬，D為球面透鏡直徑，te為透鏡邊緣厚度，tc為透鏡中心厚度。
表2 透鏡參數(shù)（參考波長(zhǎng)546.1nm）
平凸透鏡無(wú)限遠(yuǎn)共軛成像具有如下特點(diǎn)：（1）用于聚焦光線時(shí)，平行光從凸面一側(cè)入射，球差較小，成像更清晰，即焦點(diǎn)光斑較小；（2）把點(diǎn)光源變成平行光時(shí)，光線由平面一側(cè)入射可得到更高平行度出射光線。依據(jù)以上成像特點(diǎn)設(shè)定光路中各平凸透鏡放置方向。
調(diào)用仿真軟件內(nèi)部聚焦、準(zhǔn)直評(píng)價(jià)函數(shù)，將光學(xué)元件的坐標(biāo)值添加為優(yōu)化變量進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如圖5所示，其中的黑色實(shí)線代表光線追跡效果，Lx和Ly透鏡分別為慢軸準(zhǔn)直透鏡和快軸準(zhǔn)直透鏡，二者組成準(zhǔn)直單元，L1和L2組合為擴(kuò)束單元，L3為聚焦透鏡。
圖5 光學(xué)系統(tǒng)空間坐標(biāo)及光線追跡
圖6和圖7分別為L(zhǎng)D光束經(jīng)擴(kuò)束單元擴(kuò)束后在距離光源50cm和2500cm處的橫截面功率分布，光斑半徑分別為41、47cm，小于√2倍束腰半徑，處于瑞利距離，說(shuō)明光束平行度得到進(jìn)一步提高。如圖8所示，光束整形系統(tǒng)將LD光束功率匯聚于透鏡焦點(diǎn)處4mm直徑腰斑，說(shuō)明激光功率密度得到提高。
圖6 擴(kuò)束鏡出射光束在距離LD光源50cm處功率密度分布
圖7 擴(kuò)束鏡出射光束在距離LD光源2500cm處功率密度分布
圖8 光束在匯聚透鏡焦點(diǎn)處功率密度分布
3 光束整形系統(tǒng)
實(shí)驗(yàn)根據(jù)仿真優(yōu)化的光學(xué)元件間距，搭建光路平臺(tái)進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證，如圖9所示，從左至右依次為L(zhǎng)D驅(qū)動(dòng)電源（通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)激光二極管輸出功率）、LD、慢軸準(zhǔn)直柱面透鏡、快軸準(zhǔn)直柱面透鏡、擴(kuò)束單元入射透鏡、擴(kuò)束單元出射透鏡及聚焦透鏡。
圖9激光二極管光束整形系統(tǒng)
LD如圖10（a）所示，其安裝了散熱銅柱并固定在俯仰角、方位角可調(diào)的夾持器上（見圖10（b））。
圖10 （a）半導(dǎo)體激光二極管；（b）裝配散熱銅柱及可調(diào)底座
圖11（a）、（b）分別為L(zhǎng)D出射光束經(jīng)過(guò)擴(kuò)束單元后在50、2500cm處的光斑形狀，說(shuō)明LD光束經(jīng)過(guò)擴(kuò)束后，平行度得到改善。
圖11 LD光束經(jīng)準(zhǔn)直及擴(kuò)束后在（a）50cm和（b）2500cm處光斑形狀
實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)LD加載4.0V的偏置電壓，使用激光功率計(jì)測(cè)量LD的輸出功率為376mW。為獲得光束整形后的功率密度，以光斑中心為圓心，測(cè)量不同直徑圓內(nèi)多個(gè)點(diǎn)的激光功率并取平均值，通過(guò)差分計(jì)算出相鄰?fù)膱A所形成的圓環(huán)內(nèi)激光功率及圓環(huán)面積，二者求比值，得到不同圓環(huán)內(nèi)的平均激光功率密度。文中測(cè)量的光斑直徑為1.00、1.25、1.50、1.75、2.00、2.25、2.50mm。圖12橙線為平均激光功率密度離散值所繪制的折線圖，其趨勢(shì)表明光斑半徑越大，激光功率密度越小。藍(lán)線為擬合離散數(shù)據(jù)，為高斯曲線，近似代表聚焦透鏡焦點(diǎn)處光斑功率密度的整體分布。圖13是不同光斑直徑下激光功率仿真結(jié)果（藍(lán)色曲線）與實(shí)驗(yàn)結(jié)果（藍(lán)色折線）的對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。紅色折線為不同直徑光斑內(nèi)激光功率同二極管輸出總功率之比。由圖13可知，1mm直徑圓內(nèi)激光功率為252mW，約占LD出射光束總功率的67%。說(shuō)明光束整形系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)提高激光功率密度的同時(shí)具備較高的功率傳輸效率。
圖12 光束功率密度離散點(diǎn)擬合為高斯曲線
圖13 激光功率同光斑直徑函數(shù)關(guān)系
4 結(jié)論
提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種提高激光功率密度的光束整形方法，使用準(zhǔn)直、擴(kuò)束及聚焦單元的設(shè)計(jì)思路，成功地將半導(dǎo)體激光二極管67%的能量匯聚于直徑1mm的圓內(nèi)，激光功率密度優(yōu)于30W/cm2。這說(shuō)明文中設(shè)計(jì)的LD光學(xué)整形系統(tǒng)功率傳輸效率高，采用分立光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)的光束整形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于搭建，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
本文內(nèi)容轉(zhuǎn)載自《紅外與激光工程》2019年第8期，版權(quán)歸《紅外與激光工程》所有。
辛光澤，陳東啟，蔡毅，白廷柱，王嶺雪
北京理工大學(xué)光電學(xué)院納米光子學(xué)與超精密光電系統(tǒng)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
