CN112748581A - 一种半导体激光器的可集成圆形平顶光束整形系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体激光器的可集成圆形平顶光束整形系统。所述半导体激光器的可集成圆形平顶光束整形系统包括半导体激光器；空间滤波器，所述空间滤波器包括显微物镜和小孔，所述空间滤波器用于优化所述半导体激光器出射的所述非理想条形光斑，优化后可滤去畸变模式与杂散光，实现由畸变光束向较理想圆形高斯光束的转变；聚焦透镜，所述聚焦透镜用于将发散的光束进行会聚实现光束的准直，得到准直度较高的圆形高斯光束；非球面透镜，所述非球面透镜用于实现高斯分布向平顶分布的转化，得到所需的准直圆形均匀平顶光束。本发明提供的半导体激光器的可集成圆形平顶光束整形系统具有整形效果好、结构简单紧凑、稳定性高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及激光光学与激光技术领域，尤其涉及一种半导体激光器的可集成圆形平顶光束整形系统。
背景技术
半导体激光器因其体积小、效率高、寿命长、成本低等方面的优势在激光通信、光信息存储、激光雷达、光学及原子陀螺等领域均发挥着极其重要的作用，尤其是原子陀螺等新型量子器件，在所需光学波段目前的理想光源通常为半导体激光器。然而，半导体激光器出射激光光强分布通常为高斯分布，且光斑形状一般不太理想，多为条形光斑，需要通过光束整形系统将其变为圆形光斑满足应用需求。另一方面，高斯分布的光束会由于能量分布的不均匀产生局部的光场及温度梯度，从而导致加工效果与器件性能的下降。因此，通过光束整形系统将半导体激光器出射激光整形为所需的圆形均匀平顶分布的光束，具有十分重要的意义。
将高斯分布转为平顶分布的光学整形器件通常可分为衍射光学元件、微透镜阵列以及非球面透镜等几种类型，其中非球面透镜由于其能量利用率高、结构简单、光束易于控制等优点而成为应用最为广泛的光学整形器件之一。设计非球面透镜的基本原理是基于能量守恒定律和几何光学知识，借助出射光线与入射光线各点的坐标映射关系及斯涅耳定律，建立起对应各点面形之间的微分方程，求解得到透镜矢高的表达式，从而完成非球面透镜面形的优化设计。
另一方面，非球面透镜等光学整形器件的设计首先要求入射光束的光斑是具有已知能量分布函数的对称光斑，而半导体激光器出射激光的光斑通常是具有不同畸变程度的非理想条形光斑，难以满足光学整形器件的设计要求。因此，针对半导体激光器的光学整形需要首先优化其光束质量，使其成为较理想的圆形或对称分布的高斯光束。优化光束质量的常用技术手段有柱面透镜组合、空间光调制器、光纤耦合以及空间滤波器等，其中柱面透镜组合最为常用，虽然能量利用率较高但优化光束质量的效果通常不佳，因此导致市场上的半导体激光器即使整形后也普遍光束质量不理想；空间光调制器可以实现已知分布的畸变光斑向高斯或平顶分布的转化，但对于未知分布的光斑整形难度很大，且光路长度通常较大，难以实现集成化；光纤耦合方案对于畸变光斑的整形效果通常较好，可以实现整形后向基模圆形光斑的转换，但耦合受到温度、应力等各个因素的影响，稳定性与集成性难以同时保证；空间滤波器利用小孔滤去杂散光与畸变模式，通常具有很好的整形效果，且由于核心器件较小，易于实现集成化。
基于以上分析，迫切需要一种将半导体激光器出射激光整形为圆形平顶分布的可集成光束整形系统来满足激光通信、激光加工及原子陀螺等量子器件应用的需求。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种整形效果好、结构简单紧凑、稳定性高的半导体激光器的可集成圆形平顶光束整形系统。
为解决上述技术问题，本发明提供的半导体激光器的可集成圆形平顶光束整形系统包括：半导体激光器1、显微物镜2、小孔3、聚焦透镜4和非球面透镜5，针对半导体激光器1出射的非理想条形光斑进行光束质量的优化，考虑优化效果与可集成度，选择由显微物镜2与小孔3组成的空间滤波器，优化后可滤去畸变模式与杂散光，实现由畸变光束向较理想圆形高斯光束的转变，需注意此时得到的光束发散角较大。
其次，根据光束直径的需求在合适的位置加入聚焦透镜4完成光束的准直，得到准直度较高的圆形高斯光束。
进一步利用光束质量分析仪测量圆形高斯光束的光束直径、发散角等光学参数，基于得到的光学参数进行非球面透镜的光学仿真设计。为使得入射的高斯光束变为出射的平顶光束，由能量守恒定律与几何光学原理可以得到入射光线与出射光线之间对应点之间的关系需满足如下的函数表达式：
其中r为入射光束沿光束径向某点处的半径，R为出射光束沿光束径向对应点处的半径，I0为入射光束的中心光强，r0为入射光束光强为中心光强的1/e2处的光斑半径，H为出射光束的平顶分布常数，而
则表示高斯误差函数；基于(1)式并利用Matlab与Zemax软件可完成所述非球面透镜5的光学仿真设计。
最后，根据仿真设计得到的参数制作非球面透镜5，利用非球面透镜5实现高斯分布向平顶分布的转化，得到所需的准直圆形均匀平顶光束。
与相关技术相比较，本发明提供的半导体激光器的可集成圆形平顶光束整形系统具有如下有益效果：
1、相对于单纯利用柱面透镜组合等方案其整形效果好，能解决高斯转平顶对入射光束质量的要求与半导体激光器出光畸变之间的矛盾，填补目前市场上半导体激光器的可集成圆形平顶光束整形系统的空白。
2、相对于光纤耦合、空间光调制器等方案的系统结构简单，无活动部件，稳定性好。
3、系统内部件易于集成化与模块化，有利于进一步集成到半导体激光器内。
附图说明
图1半导体激光器的圆形平顶光束整形系统示意图；
图2半导体激光器的光束整形流程图；
图3半导体激光器出光未整形与整形效果对比示意图。
图中标号：1、半导体激光器，2、显微物镜，3、小孔，4、聚焦透镜，5、非球面透镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
请结合参阅图1、图2、图3，其中，图1半导体激光器的圆形平顶光束整形系统示意图；图2半导体激光器的光束整形流程图；图3半导体激光器出光未整形与整形效果对比示意图。半导体激光器的可集成圆形平顶光束整形系统包括：半导体激光器1、显微物镜2、小孔3、聚焦透镜4和非球面透镜5。
所述显微物镜2主要用于将半导体激光器1直接出射的激光进行高度聚焦以顺利地通过小孔3；所述小孔3主要用于将光束中的畸变和高阶模式以及杂散光滤去，只留下基模通过实现光束质量的优化；聚焦透镜4主要用于将发散的光束进行会聚实现光束的准直；非球面透镜5主要用于将高斯分布的光束整形为平顶分布的光束。
其中显微物镜2和小孔3共同组成了空间滤波器结构，聚焦透镜4和非球面透镜5可根据具体应用需求调换顺序。
具体实施步骤如图2所示，首先利用由显微物镜和小孔组成的空间滤波器结构对半导体激光器出射的畸变光斑进行整形，调节显微物镜与小孔的位置，得到发散的较理想圆形高斯光束后固定显微物镜与小孔的位置。然后，利用聚焦透镜对发散的圆形高斯光束进行准直，根据需要的光束直径选择具有合适焦距的聚焦透镜并调节位置，得到准直度较好并具有所需光束直径的准直圆形高斯光束后固定聚焦透镜。进一步利用光束质量分析仪测量准直圆形高斯光束的光斑直径和发散角等数据，并基于此进行光学仿真设计，得到较为理想的仿真结果后根据仿真参数制作所需要的非球面透镜。最后，利用设计制作的非球面透镜对准直圆形高斯光束进行整形，微调后固定非球面透镜，得到需要的准直圆形均匀平顶光束，并利用光束质量分析仪检测整形效果。
图3给出了上述实施方案的未整形与整形效果对比示意图，其中图3(a)表示半导体激光器直接出光未整形时的光斑光强分布，图3(b)表示经过空间滤波器结构优化了光束质量后的光斑光强分布，图3(c)表示再经过非球面透镜整形后的光斑光强分布，可以看到整形后能得到较好的圆形平顶分布光斑。
与相关技术相比较，本发明提供的半导体激光器的可集成圆形平顶光束整形系统具有如下有益效果：
1、相对于单纯利用柱面透镜组合等方案其整形效果好，能解决高斯转平顶对入射光束质量的要求与半导体激光器出光畸变之间的矛盾，填补目前市场上半导体激光器的可集成圆形平顶光束整形系统的空白。
2、相对于光纤耦合、空间光调制器等方案的系统结构简单，无活动部件，稳定性好。
3、系统内部件易于集成化与模块化，有利于进一步集成到半导体激光器内。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (3)
1.一种半导体激光器的可集成圆形平顶光束整形系统，其特征在于，包括：
半导体激光器，所述半导体激光器作为光束发射源，通常出射非理想条形光斑；
空间滤波器，所述空间滤波器包括显微物镜和小孔，用于优化所述半导体激光器出射的所述非理想条形光斑，优化后可滤去畸变模式与杂散光，实现由畸变光束向较理想圆形高斯光束的转变；
聚焦透镜，所述聚焦透镜用于将发散的光束进行会聚实现光束的准直，得到准直度较高的圆形高斯光束；
非球面透镜，所述非球面透镜用于实现高斯分布向平顶分布的转化，得到所需的准直圆形均匀平顶光束。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器的可集成圆形平顶光束整形系统，其特征在于，为使得入射的高斯光束变为出射的平顶光束，由能量守恒定律与几何光学原理得到入射光线与出射光线之间对应点之间的关系需满足如下的函数表达式：
其中r为入射光束沿光束径向某点处的半径，R为出射光束沿光束径向对应点处的半径，I0为入射光束的中心光强，r0为入射光束光强为中心光强的1/e2处的光斑半径，H为出射光束的平顶分布常数，而
则表示高斯误差函数。
3.根据权利要求2所述的半导体激光器的可集成圆形平顶光束整形系统，其特征在于，基于所述(1)式并利用Matlab与Zemax软件可完成所述非球面透镜的光学仿真设计。
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