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国内大功率半导体激光器研究及应用分析

2013-01-09 00:31
林契于宸
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  最常用的光束整形技术就是光纤捆绑耦合技术,此外还有棱镜堆重组技术、空间复合技术、波长复合技术、偏振复合技术和微光学元件压缩技术等。各种半导体激光器光束整形方法,除光纤捆绑耦合技术外,整形思路都是一样的,先对快轴方向进行准直,再把LD线阵在慢轴方向分割成若干个子单元,并使得这些子单元的出射光束在快轴方向层叠排列,从而得到对称性较好的二维光场分布,最后再对慢轴方向进行准直。这样得到的输出光场具有低发散、高对称性、高填充比(相应地光强均匀性也较高)的特点,可以被聚焦成极小的圆光斑,耦合到固体激光棒或光纤中去。

  国外早在20世纪90年代初就开始此项研究,已经取得很大进展。国内起步相对较晚,但是发展很快,主要研究单位包括中科院半导体所、上海光机所、长春光机所、清华大学、中电集团十三所、中科院光电技术研究所和西安电子科技大学等。

  中科院半导体所等单位采用的是光纤捆绑耦合技术进行光束整形。先用一根光纤柱透镜进行快轴压缩,然后进入与发光区相对应的严格周期分布的光纤排,最后把输出的多根光纤捆成一束。这种方法可以简便地实现LD线阵输出光场的对称化,且光束经过一段距离的光纤传输后在输出截面上的强度得到均匀化,传输过程中的光能损失也很小,缺点是输出光纤芯径粗,亮度不高。

  2001年,吉林大学和长春光学精密机械学院用这种方法对10单元线阵半导体激光器条进行了光纤耦合实验,耦合效率为75%。2003年,中科院半导体所利用这种技术实现了60 W 的大功率输出,耦合效率为82% ,输出光纤为1.5 mm,数值孔径为0.11,现已实现小批量生产。

  中科院光电技术研究所采用微柱透镜快轴准直并引起光束微偏转、消色差的双胶合透镜偏转光束、闪耀光栅阵列反偏并校正光束的方法进行光束整形,整形效果较好,得到了快慢轴方向比较均衡的光束质量,并能耦合进芯径200 mm、数值孔径0.22的光纤,但是整个系统由折射和衍射器件共同构成,结构复杂,耦合效率不高。

  清华大学采用等腰直角棱镜组方法,整形系统由两套错位紧密排列的等腰直角棱镜组组合而成。对808 nm输出功率40 w 的半导体激光器列阵进行了光束整形,整形系统的功率效率为90%。整形前的慢轴、快轴光束质量参数比值为2 499,整形后为0.77。

  武汉凌云科技光电有限责任公司采用折射整形法,在被整形线阵半导体激光器传播方向上依次放置两组互相垂直的、分别由M 片光学玻璃板片紧密排列构成的折射棱镜堆,进行光束的重排,实现快慢轴方向光束质量均匀化。目前该公司可以提供30 W、400 m的耦合输出系统。

  中科院上海光学精密机械研究所采用折反射整形法,利用一组绕自身底棱旋转45°的微片棱镜堆,使得线阵半导体激光器发出的光在慢轴方向被N个微棱镜切割成N段,每一段光束在对应的微棱镜中经过几次内全反射后偏转90°,实现了慢轴光束在快轴方向的重排。利用此技术,实现了600 mm 光纤输出,系统的总效率达到52% 。

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