第22卷第4期2023年8月
量子電子學報
chinese journal of quantum electronics
vbl.22no.4
aug.2005
文章編號:1007-5461(200504-0550—04
雷射二極體光束質量評價方法
藺敬平,曾曉東,安毓英
(西安電子科技大學技術物理學院,陝西西安710071
摘要:討論了幾種常見的光束質量評價方法,並分析了這些方法在對雷射二極體光束質量進行評價時的局
限性。分析了影響雷射二極體光束利用透鏡進行準直的難易程度的主要因素,給出了一種新的光束質量評價標
準陽5(z是發光源在平行於結平面方向的長度,目是光束在垂直於結平面方向的發散角較好地反映了在實際
工程應用中光束準直的難易程度,此值越小光束越容易準直。並且還給出了乙個參考值,當光束的fp5值低於
此值時,此光束可以被較好地準直而不引起較大困難。
關鍵詞:雷射技術;雷射二極體;光束質量;準直
中圖分類號:tn248.4文獻標識碼:a
1引言在雷射技術及其應用領域,以及雷射器的設計和生產過程中,光束質量是極為重要的引數。比如在實際的工程應用中,如果有乙個好的光束質量評價方法,我們就可以辨別哪種雷射器發出的光束好,哪種雷射器發出的光束不好,哪種雷射器更合適,所以對光束質量的評價非常重要。關於光束質量的評價,是雷射器光學的基本問題,人們已經做了大量的工作11￣6|。
雷射二極體目前已經在許多領域取得很廣泛的應用,它將成為最有發展前途的雷射器件之一。但因為雷射二極體的光束有很多不同於其他雷射器的特點,例如發散角較大,且在垂直和平行於結平面兩個方向不一致,這也就使如何來評價雷射二極體的光束質量顯得較為困難。特別由於雷射二極體輸出光束的特點,絕大多數應用必須利用光學系統進行光束整形,因此,對其光束質量進行定量描述和評估不論對於理論研究還是實際應用,都十分重要。
2幾種常見的光束質量評價方法
目前主要的光束質量評價標準有遠場光斑半徑、遠場發散角、環圍能量比、斯特列爾比、衍射極限倍數因子m2因子或其倒數k因子(光束傳輸因子等。各種光束質量的定義對不同的應用目的,所反映光束質量的側重點也不同。光束質量的好壞,應視具體應用的目的做出評價。
遠場發散角小的光束,由於擴束其遠場光斑半徑則較大,這樣單獨用遠場光斑半徑或遠場發散角來評價光束質量是不夠全面的。
環圍能量比定義為規定尺寸的理想光斑環圍能量(或功率與相同尺寸的實際光斑環圍能量(或功率的比值的方根。它一般用來衡量高能雷射系統出射光束到達靶面的光束質量,特別之處就是它包含了大氣的因素,是從工程應用、破壞效應的角度描述光束質量的綜合性指標,是系統受大氣影響的動態指標。但本文所討論的對雷射二極體的問題是在很小距離上進行的,所以大氣影響很小,環圍能量比並不適用。
斯特列爾比[7】定義為實際焦斑處峰值功率與衍射極限焦斑處峰值功率之比。與空間相干性只反映光束位相均勻情況不同,斯特列爾比還包含著光強分布的資訊,對恆定位相的光束,在透過光闌中均勻光強分布的光束將得到最大的遠場光強。但光束小尺度的位相畸變對斯特列爾比的影響遠較光強調製嚴重,因此斯特列爾比可以粗略地反映光束質量,只是它在光學系統的設計中不能提供非常有用的指導。
**專案:國家自然科學**資助的專案(60277004
收稿日期:2004
11-19;
修改日期:2004—12—09
萬方資料
第4期藺敬平等:[8~10],m2因子定義為m2=∽口/(∽ooo(1
式中u、p是實際雷射光束的束腰半徑和發散角,uo、口。是基模高斯光束的束腰半徑和發散角。
mo因子的定義為雷射光束質量給出了較清晰的定量描述,是一種較客觀、較全面反映光束特性的引數,因此得到了普遍採用。假設實際雷射光束就是基模高斯光束,即m2=1;若實際光束為竹階厄公尺。高斯模,u。
=(2n+11/2∽o,%=(2n+11/2口o,故n階厄公尺一高斯模的光束質量因子為m2=2n+1,即階數n越高,m2越大,表明其光束質量越差。對於實際應用,一光束m2因子的大小,或其質量的好壞,從本質上說是描述了用簡單光學系統對其準直(或聚焦的難易程度。
本文所討論的光束***壞,就是以對其準直的難易程度來衡量的。對於一般氣體、固體雷射器而言,光束發散角在毫弧度量級,腰斑尺寸在公釐量級。當m2數值一定時,u或9發生些變化,不會顯著提高準直的代價。
因此,用m2因子描述光束質量是恰當的。但對雷射二極體,其發散角很大,對於確定的m2數值,如果將腰斑尺寸減小一半,而發散角增大一倍,會因為製造大相對孔徑透鏡的困難而大大增加準直的代價。因此,上述m2因子並不適宜評價雷射二極體光束準直的難易程度。
3一種新的光束質量評價方法
我們這裡主要討論的是只含乙個emitter的大功率雷射二極體,尋找乙個評價標準來評價其在實際工程應用中光束準直的難易程度。雷射二極體發出的光束不易於準直主要有兩個因素,~是平行於結平面方向源尺寸較大,另乙個是在垂直於結平面方向的大發散角。形象地講,大功率雷射二極體發光區是乙個線狀源。
其在平行於結平面方向有較大的長度,對用來準直的透鏡中心張一定的角度,此角度將影響光束的準直;將透鏡放遠些可以減小這個角度,但由於垂直於結平面方向的光束發散角過大又不能離得太遠,否則將使光束的耦合效率降得很低。由此看出影響光束準直的因素是互相制約的。
設雷射二極體的發光源在平行於結平面方向的長度為f,光束在垂直於結平面方向的發散角為p。注意到垂直於結平面方向的發光源長度比平行於結平面方向的發光源長度要小得多,其對用來準直的透鏡中心所張的角度可以忽略;光束在平行於結平面方向的發散角比光束在垂直於結平面方向的發散角要小得多,所以如果光束在垂直於結平面方向耦合得很好的話,那麼在平行於結平面方向肯定有更高的耦合效率。因此,可考慮用乘積fp來評價光束質量。
但是,當保持乘積不變,若減小f,由於口已經很大(一般約40。,護再增大將導致實際製造透鏡所無法承受的難度。這表明在一定範圍內f的變化和口的變化對準直的難易程度產生的影響是不對等的。
為了降低p的這種作用,考慮使用目的高次冪來與f相乘。(例如使用目的5次冪來與f相乘,當f變為f/2時,為使乘積不變,口只需變為21/5p。假設光束質量引數為f釅,下面我們來確定目的冪次數x,準則是在確定的陽。
值之下,準直的效能和代價變化不大。
為了能夠進行定量描述,首先我們應該對「準直」作出一些規定,從而對乘積fp。數值給出乙個參考值,當光束f日2的值小於此參考值時,可以認為光束質量較好。這時光束可以被相對孔徑為0.
5的透鏡較好地準直,準直角度不大於10mrad,耦合效率在90%左右。由於我們平時用的透鏡直徑多在一兩厘公尺以內,這裡我們不妨規定透鏡直徑不超過3ci/i,否則也將較大地提高為了準直所要花費的代價。當光束的fp。
的值大於此參考值,用相對孔徑為0.5的透鏡就很難滿足上述準直指標了,可以認為光束質量不夠好。顯然,z護。
值越大的光束越不容易準直。
在本文中,光束發散角定義為:在遠場區垂直於光軸的平面上,光強下降至最大值一半處的全張角。對於一束光,當使用相對孔徑為o.
5的透鏡進行準直,如果耦合效率為90%(此效率以及下面提到的效率為垂直於結平面方向的耦合效率,經過理論計算(運用簡單的高斯模型,可以確定p為0.6852,即39.26。。
通過數值模擬,x的值在5左右時,效果比較理想。即在這種情況下,對於相同的f口。值,f、p數值變
萬方資料
動時,準直所需代價是接近的。下面給出z=4,5,6情況下的計算例項,均使用相對孔徑不超過0.5、直徑
22卷552量子電子學報
不超過3cm的透鏡,每組資料都要求準直發散角小於10mrad。
1x:4,f=300肛m,p=39.26。,取104=66.13pm。分別取j為100pm、200pm、400pm、500肛m,見表1。
表1取z=4,且令104=66.13pm時的準直情況
f(肛m口(弧度p(角度耦合效率
100pm0.901851.67077.8%
200「m0.758343.45。86.1%
300「m0.685239.26090%
400「m0.637736.53081.98%
500「m0.630134.55074.6%
2x=5,f=300肛m,口=39.26。,取105=45.31肛m,見表2。
表2取z=5,且令105=45.31pm時的準直情況
f(pm p(弧度曰(角度耦合效率
100「m0.853648.91。80.3%
200「m0.743142.58。86.9%
300「m0.685239.26。90%
400「m0.646937.06。81.3%
500「m0.618635.45。72.86%
3z=6,f=300pm,口=39.26。,取105=31.05pm,見表2。
表3取x=6,且令105=31.05/tm時的準直情況
f(pm臼(弧度曰(角度耦合效率
100「m0.822947.15。82.3%
200ttm0.733142。87.4%
300ttm0.685239.26090%
400ttm0.653137.42。80.64%
500ttm0.629336.06071.98%
由上述三表可看出,當f臼z取值恆定,?變化時,耦合效率仍有一些起伏。綜合看來,fp5比較均衡,故我們建議選用f臼s作為大功率雷射二極體光束質量的評價標準較為理想。
表4105=15肛m時的準直情況
同時我們給出乙個f95的參考值,可作為選擇實際器件的參考。對於典型值f=100肛m,0=40。,有105=16.
6pm,為了使用和記憶方便,取105=15肛m,此時的準直情況見表4。可見,此時的情況相當理想,故把15ⅳm作為參考值,當光束105值小於此值時,可以被相對孔徑為0.5的透鏡較好地準直,
準直角度不大於10mrad,耦合效率在90%左右。
萬方資料
第4期藺敬平等:雷射二極體光束質量評價方法553 4結論
作為一種新的用來評價大功率雷射二極體光束質量的評價標準,105(f是發光源在平行於結平面方向的長度,0是光束在垂直於結平面方向的發散角。較好地反映了在實際工程應用中光束準直的難易程度。f95值越小光束越容易準直,且光束105值小於參考值15盧m時,可以被相對孔徑為o.
5的透鏡較好地準直,準直角度不大幹10mrad,耦合效率在90%左右。
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