提高半導(dǎo)體激光二極管功率密度的光束整形方法
發(fā)布時(shí)間:2019-12-17 責(zé)任編輯:xueqi
【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程中不斷衰減的問題,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。中國科學(xué)院長春光學(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、成本高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝調(diào)精度難以控制等問題,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LD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,因此通過透鏡變換增加高斯光束的束腰半徑,可以獲得較長的準(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,光束橫截面形狀長寬比值為z軸坐標(biāo)值的函數(shù),在光斑長寬比最接近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?,?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L1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×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546.1nm)
平凸透鏡無限遠(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LD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LD驅(qū)動(dòng)電源(通過調(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LD出射光束經(jīng)過擴(kuò)束單元后在50、2500cm處的光斑形狀,說明LD光束經(jīng)過擴(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
特別推薦
- 授權(quán)代理商貿(mào)澤電子供應(yīng)Same Sky多樣化電子元器件
- 使用合適的窗口電壓監(jiān)控器優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)
- ADI電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制解決方案 驅(qū)動(dòng)智能運(yùn)動(dòng)新時(shí)代
- 倍福推出采用 TwinSAFE SC 技術(shù)的 EtherCAT 端子模塊 EL3453-0090
- TDK推出新的X系列環(huán)保型SMD壓敏電阻
- Vishay 推出新款采用0102、0204和 0207封裝的精密薄膜MELF電阻
- Microchip推出新款交鑰匙電容式觸摸控制器產(chǎn)品 MTCH2120
技術(shù)文章更多>>
- 中微公司成功從美國國防部中國軍事企業(yè)清單中移除
- 華邦電子白皮書:滿足歐盟無線電設(shè)備指令(RED)信息安全標(biāo)準(zhǔn)
- 功率器件熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(九)——功率半導(dǎo)體模塊的熱擴(kuò)散
- 準(zhǔn) Z 源逆變器的設(shè)計(jì)
- 第12講:三菱電機(jī)高壓SiC芯片技術(shù)
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
單向可控硅
刀開關(guān)
等離子顯示屏
低頻電感
低通濾波器
低音炮電路
滌綸電容
點(diǎn)膠設(shè)備
電池
電池管理系統(tǒng)
電磁蜂鳴器
電磁兼容
電磁爐危害
電動(dòng)車
電動(dòng)工具
電動(dòng)汽車
電感
電工電路
電機(jī)控制
電解電容
電纜連接器
電力電子
電力繼電器
電力線通信
電流保險(xiǎn)絲
電流表
電流傳感器
電流互感器
電路保護(hù)
電路圖