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%。     

柱透镜和弯月透镜实现半导体激光器光束整形

针对半导体激光器的发光特点,设计了半导体激光器的光束整形系统。首先采用柱透镜准直和偏转沿Y轴发散的光束;然后再采用望远系统对X轴发散的光束进行准直和扩束;最后采用弯月透镜对发射光束压缩,实现半导体激光器的光束整形,降低光束发散角,提高光束质量。利用ZEMAX软件模拟系统,结果表明,整形后输出光束沿X轴和Y轴的发散角变为4.922mrad,输出光斑直径为1.2707mm,整形系统总长度为65.6618mm,各元件的最大直径为20.52mm,输出光束质量和系统结构都优于同类产品。     

976 nm宽条形高功率半导体激光器的光束质量M2评价

为了提高976 nm宽条形高功率半导体激光器的光束质量,基于严格的二阶矩理论搭建了一套适用于高功率半导体激光器的光束质量检测装置。利用该装置测量了实验室研制的976 nm宽条形高功率半导体激光器在1～10 A工作电流下的束腰位置、束腰尺寸和远场发散角。实验结果表明,随着电流从1 A增加到10A,快轴方向束宽及远场发散角由于反导引效应有微小增加,但由于垂直方向较强的折射率导引机制使得光束参数变化很小,光束质量因子M~2仅从1. 32增加到1. 48,光束质量基本不变。慢轴方向由于反导引效应及热透镜效应而导致高阶模式激射,使得束宽及远场发散角随工作电流增加逐渐增大,光束质量因子M~2从5. 44增加到11. 76,光束质量逐渐变差。傍轴光束定义及非傍轴光束定义下的光束质量因子测试结果表明,在快轴方向,两者差别较大,不能使用傍轴光束定义近似计算;在慢轴方向,两者近似相等,可以使用傍轴光束定义近似计算。     

LD快轴准直柱透镜多参数加工公差分析理论

为了实现半导体激光器快轴准直柱透镜加工公差的快速、准确制定,在快轴光束准直理论分析的基础上,采用几何光学的方法建立了多参数加工公差理论模型。该模型以各个结构参数的极限偏差值作为公差初始值,以实际的加工精度作为边界条件,并根据具体的准直设计要求进行优化,实现各个参数公差的合理、快速分配。针对常见的TO-MOUNT型号中的一款快轴发散角为36°的半导体激光器设计了快轴准直柱透镜,利用该理论模型实现快轴准直柱透镜加工公差的快速制定,引入该公差后的ZEMAX仿真结果符合准直设计要求,且仿真的出射光束发散角与理论计算结果仅有1.1%的误差。     

异轴双半圆柱透镜准直半导体激光光束

运用光线追迹的方法,讨论了异轴双半圆柱透镜准直半导体激光光束的效率.数值模拟结果表明,异轴双半圆柱透镜可用于准直半导体激光光束,在最佳准直时,透镜材料的折射率允许高于2;当折射率在一定的范围内变化时,其准直效率随折射率的增大而提高.理论上可以将半导体激光器输出光束快轴方向的发散角压缩到0.1 mrad量级以下.     

808 nm宽条型激光器绝热封装改善慢轴光束质量（英文）

为降低半导体激光器在慢轴方向的远场发散角,改善慢轴光束质量,本文提出了一种新型的绝热封装结构,可削弱激光器工作时因芯片横向温度不均而导致的热透镜效应,并基于傅里叶热传导方程,采用有限元分析软件ANSYS 18.0进行热特性仿真,利用Fineplacet贴片机对808 nm In_(0.1)Ga_(0.73)Al_(0.17)As/Al_(0.37)GaAs宽条形半导体激光器进行绝热封装,采用电荷耦合器件(CCD)图像采集分析法对其光束质量进行测量。实验结果表明采用绝热封装方式可减小慢轴发散角约40%,且慢轴发散角随工作电流变化更稳定,相对应的光参数积BPP和光束质量因子M~2也随之降低约33%和30%,芯片横向(慢轴方向)与热沉接触宽度越小,绝热封装对慢轴光束质量改善效果越好。绝热封装中空气隙的引入使得激光器光电特性产生恶化,输出功率降低约14%,光电转换效率降低约8.7%。绝热封装方式对改善半导体激光器的慢轴光束质量具有重要的指导意义。     

阵列半导体激光器的光束参数测量与光纤耦合

采用ISO推荐的方法测量了发光面为 1μm× 15 0 μm的阵列半导体激光器的光束半径、远场发散角、束腰位置、瑞利长度 ,并根据测量结果计算了光束传输因子 (M2 因子 )。以此为基础 ,研究了半导体激光器光束的快轴准直以及光纤耦合技术 ,采用微柱面透镜准直后 ,阵列半导体激光器快轴方向发散角可减小到 0 .48°。设计了光纤耦合光学系统 ,与 10 0 μm光纤耦合时的耦合效率为 71.0 % ,与 2 0 0 μm光纤耦合时的效率为 83.4%。     

基于mini-bar的光纤耦合实验研究

基于mini-bar的光纤耦合是一种进一步提高二极管激光器光纤耦合系统出光亮度的有效方法。本文对Osram公司的一款连续60 W mini-bar的发光特性进行了实验研究,选用的mini-bar在工作电流60 A时输出功率60 W,电光转换效率最大为60%,中心波长973.7 nm,慢轴发散角为9.3（1/e2）。分析了其慢轴准直的特性,了解慢轴准直透镜的选择原则。器件准直后的慢轴发散角为47.6 mrad。通过对光束参量积的计算了解到mini-bar的光束可以直接耦合进入600 m的光纤,并进行了单片mini-bar的耦合实验,得到准直系统与耦合透镜组的传输效率为83%~85%,光纤的耦合效率为86%~93%,整个系统的光光效率大于72%。     

微热通道电极结构宽条形半导体激光器输出特性

为了抑制宽条形半导体激光器的热透镜效应,提高慢轴光束质量,本文提出并制作了一种微热通道电极结构激光器。该芯片p面注入区电极处被设计为较厚的高热导率的电极结构,封装后激光器两侧与热沉之间形成空气间隙,抑制激光器有源区横向热流,使激光器内温度分布均匀,有效地降低慢轴发散角。对该激光器的封装模型进行了稳态热分析,优化了微热通道电极结构的厚度和宽度,并制作了波长为940 nm的微热通道电极结构激光器。测试结果表明,在注入电流为2 A时,微热通道电极结构激光器的发散角相对于普通电极结构激光器降低了24%,有效地降低了激光器慢轴光束发散角。     

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7mm×8mm的泵浦光斑,光强不均匀性约10%,输出效率达到85%。     

体布拉格光栅外腔半导体激光器的光栅旋转角度容差

采用步进电机控制光栅角度,对200 m和600 m圆柱透镜准直的体布拉格光栅（VBG）外腔单管C封装半导体激光器进行了系统研究。实验结果表明:激光二极管（LD）驱动电流越大,准直效果越好,VBG的角度调整容差越小;快轴方向的准直效果越好,慢轴方向的光栅调节角度容差越大;对于衍射效率28%、厚1.4 mm的光栅,LD快轴发散角为7.3 mrad时,快轴方向的角度容差不大于3.2 mrad,慢轴方向的角度容差较快轴大约一个数量级。     

二极管激光器垂直阵列光束精密准直

 为实现二极管激光器垂直阵列输出光束具有小发散角、高指向精度的特点,简述了快轴准直（FAC）微透镜的光束准直原理,分析了调节装置的精度要求及透镜选择等问题。通过光学成像方法实时监测二极管激光bar条的近场像和远场像,对FAC透镜分别进行粗调节和细调节,获得了20个bar条连续输出2 kW,垂直阵列二极管激光快轴准直光束远场发散角4.4 mrad,bar条间准直光束指向精度不大于±1.7 mrad的准直效果,并对监测精度进行了简要分析。对影响光束准直效果的因素进行了分析,指出了工艺优化的重点。     

基于横向热流抑制的半导体激光芯片封装实验研究

为降低半导体激光芯片的慢轴远场发散角,提高其慢轴方向的光束质量,设计了横向热流抑制的封装结构。利用热沉间的物理隔离,削弱了半导体激光芯片慢轴方向上的温度梯度,有效降低了半导体激光芯片慢轴方向的发散角。采用热分析模拟了不同封装结构下芯片发光区的温度分布,并对波长915 nm的窄条宽半导体激光芯片进行封装。实验结果表明,在工作电流15 A,封装在隔离槽长4 mm,脊宽120 μm刻槽热沉上的芯片,其慢轴远场发散角由12.25°降低至10.49°,相应的光参量积（BPP）由5.344 mm·mrad 降低至4.5763 mm·mrad,慢轴方向亮度提升了约5.5%。实验结果表明,横向热流抑制的封装结构可以有效地削弱半导体激光芯片慢轴方向上由热透镜效应引起的高阶模激射,从而降低其慢轴远场发散角。     

激光引信中半导体激光器的准直及其测试

在理论上分析了单级单透镜光学系统对激光高斯光束发散角的影响。用单个平凸透镜对激光引信中的半导体激光器进行了准直，达到了激光引信光束准直的要求。通过CCD成像方法对准直后的光束发散角进行了测量，利用二阶矩算法计算出光束发散角。实验测得2个方向的发散角分别为θx=7.03°和θy=0.69°，验证了准直系统达到激光引信要求的θx＜10°和θy＜1°技术指标。     

基于平行玻璃板的半导体激光器阵列光束整形

为得到质量均衡的大功率激光束,分别以条形和面阵半导体激光器为模型,基于平行玻璃板对光束的偏移作用,对准直后激光束进行分割和重排,并在Zemax软件中进行了仿真。条形半导体激光器初始发散角为40和10,整形前已准直光束快慢轴方向的光参数积分别为0.455 2 mmmrad和20.484 mmmrad,光束质量相差较大,整形后快慢轴方向光参数积分别为2.731 2 mmmrad和3.414 0 mmmrad,实现了快慢轴方向光束质量均衡。利用平行玻璃板消除面阵半导体激光器中存在的发光死区,整形后快慢轴方向光参数积分别为7.002 mmmrad和10.242 mmmrad ,整形系统耦合效率为90.13%。     

冷却储存环主环磁铁的准直测量

采用激光跟踪仪及配套带软件Insight对兰州重离子加速器冷却储存环主环磁铁进行了安装和准直。首先建立全局坐标系，用来确定从源体到实验环各子系统的理论原点的位置；而各个子系统又分别以各自的理论原点为基础建立局部坐标系，用来安装定位本系统内的各个元件；对各个子系统中的每一个元件还采用了元件坐标系。准直测量时，先在每块磁铁上焊接8个测量基准；然后对磁铁上的基准进行测量，以确定其在元件坐标系中的位置；再架设激光跟踪仪，测量主环控制网点，恢复主环局部坐标系，根据元件在主环局部坐标系中的位置及理论坐标，计算出相关的变换参数；转入元件坐标系，采用激光跟踪仪及Insight 软件显示实时测量坐标及其与理论值之差，其精度达到0.15 mm。     

基于LD激发荧光粉白光光源的窄光束照明光学系统设计

蓝光半导体激光器激发荧光粉产生白光光源技术发展迅速，但由于大功率蓝光半导体激光器在快轴、慢轴方向的光场分布差别较大，使得日前激光照明整体光学性能仍旧较差，难以实现大规模推广应用。针对该问题，设计了一款高质量激光照明光学系统，基于蒙特卡洛光线追踪理论，对激光光束进行准直调控、均匀光斑整形以及对荧光片进行设计，使得整体光源模块各元件得到最佳整合，最终实现了窄光束激光照明。仿真结果表明:激光光源的光收集率达98.3%，激光光斑的不均匀度为1.7%，白光均匀度为98%，光斑是出射准直角为1.6°的方形窄光束白光光斑。