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弱光探测器:高功率激光应用场合的高性能光束整形

2007-05-16 16:28
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作者:O. Homburg、D. Hauschild、F. Kubacki、V. Lissotschenko, LIMO公司

1. 引言
    无论是工业应用还是科学研究,高功率或低功率,从深紫外到近红外光谱区域,激光都是一种低成本高效益的可靠工具。现有的大部分产品均使用由其谐振腔定义了光学特性的激光光束。单模激光器(如:用在DVD中作为拾取头的半导体激光器,广泛用于金属制品行业的He-Ne激光器和CO2激光器)光束的强度一般为高斯分布。其他类型的高功率激光器(如:Nd-YAG准分子激光器和高功率二极管激光器)由于工作在多种模式下,输出光束并非纯粹的高斯分布。然而,在很多材料处理应用中(如:热处理、熔焊、低温焊、印刷和微加工领域),均匀(高帽状)分布的方形、矩形和带状光场实属必须。此外,在显示照明应用中,具有特殊形状的均匀光场分布往往带来应用上的优势甚或成为此类应用必不可少的条件之一。



    为了获得更大的视场,对整个视觉覆盖区域,包括其边缘部分进行统一照射显得尤为必要。此外,均匀照明提高了系统的对比度和分辨率。在使用脉冲激光器扫描的应用中,如果将光源相邻放置,由于光束截面为矩形,加上均匀分布的强度,扫描速度将显著提高。无论是在单模还是多模的激光器应用场合,这些自由形态的折射微透镜系统均用于塑造最佳形状的激光束。任何种类的激光器,诸如气体、固体和(高功率)半导体激光器,它们的光束剖面形状均能调整。可根据光源的不同而相应采用相移法和叠加法进行整形。


1.通过相移元件在远场将高斯分布转换为“高帽”式分布的原理。

    光整形器件可预先调整后置于紧凑坚固的模块中,为便于在应用中集成,模块表面经过了特殊处理。在对光束形状有特定要求的应用场合,内嵌有光学部件的高功率二极管激光系统提供了完全的解决方案。所有的光学、机械工程均在恶劣的测试环境和条件下进行,特别是针对温度升高的情况,系统可完全采用金属连接的架构而确保不使用任何粘合剂。

2.
均匀化照射

    要均匀照射某个目标有多种方法,采用折射或衍射光学器件便是其中的一种。这类衍射器件可用于产生任意形状的照射光斑。而对于采用方形、矩形或带状光场来做均匀照射的应用来说,折射光学器件具有相对较强的优势,因而也被广泛使用。折射器件的主要优势在于其高透射率和效率,还有均匀分布的光场。因此,以下将重点放在基于折射器件的光整形,可获得较高的数值孔径(NA>0.4)。针对一般的单模或多模激光器,相应于所使用的类型,主要通过两种方式对折射光束整形。下文将分别讨论这些方法。


2.542nm激光通过非球面相移元件后的模拟(左图)和测量(右图)。

2.1
单模激光的“高帽”式分布


    许多激光源,如几种固体激光器、光纤耦合激光器和气体激光器,工作模式为单横模的确定高斯光束。对于此种激光器,为了获得“高帽”式的均匀光强分布,可采用相移光学器件来将高斯分布转化为“高帽”式分布。此种非球面(仅在一个方向上为非球面)透镜的表面用以下的等式描述: 自由态相移元件的整形原理如 1(仅用一个方向上示意) 所示。 

    准直后的高斯光束具有确定的光束直径和发散度,随后进入自由态非球面光学元件。通过特别设计的透镜表面,光强被再次分配,经过空间相移实现了高斯分布到“高帽”式分布的转换。为了获得“高帽”式的高度均匀的光强分布,需采用10100nm数量级自由表面形态的高精度光学器件。图2给出了对一个绿光(542nm)激光器光强分布的模拟(左图)和测量(右图)。 可以观察到理论计算值和试验数据的高度符合。对两者来说,“高帽”区的宽度约为0.2mm,分布的半峰全宽和陡度相仿。对许多典型的照射应用来说,在“高帽”区均匀度(Imax-Imin)/(Imax+Imin)低于5%ImaxImin分别代表强度的最大值和最小值)。


3. 由两个柱状透镜阵列和相应场透镜组成系统的工作原理。pv,f2v,ff分别代表间距、第二个透镜阵列的和场透镜的焦距。Dv 表示均匀光场在垂直方向上的尺度。

2.2
生成多模激光的“高帽”式分布

    对于多模激光器(如:高功率二极管激光器、各种固体激光器和准分子激光器)的光束,一般采用叠加的方法来实现均匀化。因此,均一的矩形或线形光场得以产生。此类设备包含一到两个柱状透镜阵列和随后的场透镜[1]。采用图 3 所示意的设置可获得更好的均匀度。
作为示意,仅取垂直方向上(下标v)的情形作出说明,水平方向可类推。两透镜阵列对称放置并具有相同的间距pv。它们之间的距离由第二个透镜阵列的焦距f2v给出。随后将一焦距为ff 的场透镜置于第二个透镜阵列之后。通过第一个透镜阵列,准直后的多模输入激光光束分裂为许多小光束。这些小光束随后被导入相对放置的第二个透镜阵列上的各个小透镜,由于受第一个透镜阵列的焦距控制,这些小光束不会彼此重叠。与场透镜准直的第二个透镜阵列将单个镜头孔径成像在目标平面上,此处的目标平面即等价于场透镜的焦平面。通过所有小透镜的光束重叠后,一个均匀分布的光场得以产生。在傍轴空间,如相对光轴的小角度,垂直方向上的均匀光场尺度Dv可由Dv =pv * (ff /f2v) 近似。由于柱状透镜阵列可设计在水平和垂直方向任意放置,因此可产生不同边长比例的矩形和线形的光场。LIMO可针对如此高质量的镜头阵列作系列化大批量生产(见图 4)。对该微透镜阵列而言,得益于单块晶片的整体特性,透镜阵列表面完好且有助于对光场的均匀照射。


4. 配备两个微透镜阵列的均光器。

    图 5 展示了采用上述LIMO微透镜阵列设计的准分子激光器的典型强度分布均匀度(Imax-Imin)/(Imax+Imin) 低于2%,并且观察到显著陡倾的边缘。如此优异的表现亦对透镜阵列提出严格的要求。因此必须采用高质量的集成大量具有相同孔径和焦距的透镜阵列。此外,所有光学学元件均须消除相差。具有LIMO专利技术的微透镜阵列无疑可满足这些要求。相比之下,蚀刻技术却受限于透镜的径向深度和光束通过透镜阵列后的均匀度问题。另一种较为传统的手法则是对多个单镜头的组合。此种方法较为显著的缺点即在于杂散光在各个透镜交界面处的损失。此外,由于被照射的透镜数量相对较少,孔径的增加即意味着强度分布均匀度的下降。


5. 典型的准分子激光器强度分布(示意)。

3.
应用

    对因为安全与防范需要而必须考虑均匀光场的应用场合,有多种照射方式可供选择。一些诸如此类的应用有:测量,带近红外光的夜视系统,车辆辅助系统和光谱分析。此外,线形发生光学元件可用在高功率激光器的长带状照射应用中,如地形测量,基于线阵相机的物体探测,以及在图森的Arete协会所采用的LIDAR技术。

3.1
光束整形系统

    由于设计和建构一套光学光束整形系统对光学元件和机械安装技术的专业性和精确性要求很高,因此只有光学专业人员可提供此项技术。也因此,LIMO开发了包含预先调校好的成套光学器件的光整形模块。这些光整形系统均集合了优异的光学表现和在应用中易于处理、整合的优势。特别考虑到工业建设中简易的使用环境和条件,仅需将模块置于准直输入光束的光场中,既可在目标距离处得到所需的强度分布(见图 6)。因此对使用者来说,无需任何调校操作。根据工作距离的不同,可获得线度从微米到千米,多于九个亮度等级的均匀光场或光带。目标距离也可控制在从100微米到数千米范围内。光带的宽高比,可限制在1:11:5000的范围之内。


6.光整形模块将准直输入光转换为均匀的方形光场(示意)。

    图 7 所示为该模块的实物照片。此外,该图还展示了一可选的光纤耦合模块,用于准直来自光纤耦合激光器的发散光束,在操作光纤耦合激光器时,可作为对基本光束整形模块的补充。
8 所示为一客户可订制的Nd-YAG固体激光器(1064nm)用光整形模块。其所产生的光场分布如图 9 所示。

3.2
用作“高帽”或带状分布发生器的高功率二极管激光器

      LIMO
不但提供光束整形系统,还包括为客户定制指定光强分布的全套高功率二极管激光器。集合了被动冷却的激光条和折射微光学器件,此类激光器具有模式化的设置。无论是光纤耦合类设备还是自由光束类设备均可采用。在此我们仅限于讨论被广泛用于照射应用的自由光束激光器。模式化设置允许的输出功率从1瓦到数千瓦,相应的功率密度高达1兆瓦/平方厘米。而波长从400纳米到2微米任意可选。



7.基本光束整形模块和可选光纤耦合模块。

    通过内嵌于模块内的微光学器件带来的高整形效率,不但可将工作电流降至相对较低的水平,还可提升使用寿命至2万多小时。此外,较低的工作电流意味着较少的热负荷。因此,对激光器的冷却系统的要求可以相对较低。设计中没有采用微通道技术,使得激光模块可在相对简易的环境条件下工作,也就是说无须使用去离子水就可操作。所有激光器发光条均通过两种不同的制冷方式来被动冷却,即: 采用热电元件的珀尔帖电冷和使用自来水的水冷系统。所有的二极管激光器均可额外装配一部全息光栅用以稳定波长。由于该类系统带宽较窄,因此对拉曼光谱研究很有帮助。微光学的此类应用使得产生诸如点状、环状、带状、方形和矩形的光场成为可能,并且可使高功率激光器在某个工作距离内对指定的光场进行均匀照射。带状光束的长度可从微米到数米量级,而带宽在几个微米至毫米之间。下面将给出几个不同的带状光束发生器的实例,以便我们更好地理解在材料处理、照射和度量应用中的二极管激光器的本领。在铁轨的悬链线检查中采用了一个25瓦的带状光束激光器(见图10)。通过长度超过15米而带高只有5毫米的长带状激光光束照射悬链线。检查区域的几何要求需要宽高比达1:3000的带状激光光束。


8. 客户可订制的Nd-YAG激光器用光整形模块。

      35W
的二极管激光器已用于对塑料材料的精加工。带状照射光束尺寸为32 mm。图 11(左)展示了光带的光强分布。特殊的快轴准直透镜和微光学均光器的结合带来了高达6%的均匀度和出色的陡度。在光带的垂直方向上存在一高斯型的光强分布(见图11右)。因而,该光带可很好地在这个方向上用于扫描式照射。
在某些应用中,需要在两个轴上都具备均匀光场。图 12 所示为一270W激光器在一35mm区域的照射。此种坚固的激光器可同时在水平垂直两个方向上获得优于7%的均匀度。较高的输出功率允许扫描式照射和探测以很快的速度进行。


12. 270W输出功率的二极管激光器 (此模块的输出光束尺寸为35mm)。 

    图13 所示为一34W激光器的光强分布,形状为一宽度仅为50 的细小光带。光带长度为19mm的光束已优化,并用于照射GLV调制器。整条光带上光强的均匀度优于7%,平直度优于15微米。得益于模式化设置,激光器的功率可分级度量直到千瓦以上量级。图14所示为一功率为8千瓦的易于维护的带状光束激光发生器。将多个诸如此类的可更换的二极管子模块组装到一个基盘上,即可组成一套完整的kW级的带状光束发生器。将所有子模块的光束叠加起来的光学元件也被集成在了基盘中(图中未示出)。如果其中某个子模块因寿命减损而损失功率,由于无需对任何光学元件重新作调整,更换新件将变得简便易行。此例中,光带的尺寸为700mm

参考文献
1. D.M. Brown, F.M. Dickey, L.S. Weichmann, Multi-aperture Beam Integration Systems, in F.M. Dickey, S.C.
Holswade (ed) Laser Beam Shaping, Theory and Techniques, pp. 273-311, Marcel Dekker, 2000.

 

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