CN114813050B - 一种多模蓝光单管激光模式测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多模蓝光单管激光模式测量装置，属于蓝光半导体激光技术领域。包括水冷系统、沿光路依次放置的准直系统、单光栅分光系统、远场傅里叶变换系统、第一CCD相机和第二CCD相机；所述水冷系统上设置有待测的多模蓝光单管激光器，单光栅分光系统包括反射式光栅和反射镜组，以及分光后的反射镜、聚焦透镜，通过反射镜组的空间位置角度调整，进行多次衍射分光，多次衍射分光解决了蓝光波长短而导致的分光困难，并且只需要一块光栅，成本低，光栅利用率高。本发明利用远场傅里叶变换，可以同时测量激光束的近场模式和远场模式，在近场模式结构无法分辨时，利用远场双峰结构特性建立蓝光单管模式模型。

Description

一种多模蓝光单管激光模式测量装置

技术领域

本发明属于蓝光半导体激光技术领域，更具体地，涉及一种多模蓝光单管激光模式测量装置。

背景技术

蓝光半导体激光器由于其电光效率高、体积小质量轻、寿命长、性能稳定、可靠性好、发射光谱宽，并且铜基等高红外反射材料对其吸收率较高的优点，在材料加工、激光显示、3D打印等领域中有重要应用。

为了满足这些应用的大功率蓝光光源需求，常采用单个功率为4-5W的多模大功率单管蓝光半导体激光器，通过整形和合束技术来提高输出功率和光束质量。对于多模蓝光激光器单管，由于其谐振腔尺寸的限制，往往为多横模输出，会导致光束质量的下降。因此，为了解决蓝光半导体激光器高功率与高光束质量的矛盾，需要测量蓝光半导体激光器单管的模式。

半导体激光器谐振腔的辐射场分布通常用盒式模型描述。盒式模型包含六个边界，每个边界可以有不同的折射率差。利用边界条件，可以将模式结构简化到二维平面，不同模式叠加可以得到近场模式输出特性。对670nm、808nm、980nm等波段的半导体激光器模式的研究都验证了盒式模型。

目前，对于多模蓝光半导体激光器单管模式的相关测量研究还处于空白。在对于670nm、808nm、980nm等波段的半导体激光器模式测量研究中，其测量技术主要包含了光束整形、光栅分光等。测量半导体激光器模式需要将近场模式在空间上分离。模式分离主要利用光栅分光，将多模输出转化为多纵模输出，在空间上可被观测到模式结构。模式分离效果主要与两个因素有关：(1)光束准直效果，光束发散角越小，入射光栅后其模式分离效果越好；(2)光栅分光效果，与光栅刻线数和衍射角有关，刻线数越多、衍射角越大，则分光效果越好。

但是，对于蓝色波段的半导体激光器而言，由于其波长较短，在相同光栅下，其分光效果远不如670nm、808nm、980nm等波段。因此在光束准直后，其模式的空间分离仍需要很高刻线数的光栅，或者多个光栅来实现，昂贵的光栅往往利用率不高。另外，由于多模激光器模式很多，往往会发生重叠，因此近场模式无法准确分辨模式结构。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种多模蓝光单管激光模式测量装置，用以解决多模蓝光半导体激光器模式测量中光栅分光效果差、光栅利用率不高的技术问题；以及测量远场模式，利用双峰结构特性来解决近场模式无法分辨的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种多模蓝光单管激光模式测量装置，包括水冷系统，沿光路依次放置的准直系统、单光栅分光系统、远场傅里叶变换系统、第一CCD相机和第二CCD相机；所述准直系统包括一个非球面镜和沿光路依次放置的第一、第二平凸透镜组成的望远镜结构，非球面镜对待测的多模蓝光单管激光器的出射光束进行一级准直、同时消除像差后，入射到望远镜结构，望远镜结构再对其进行扩束准直。所述单光栅分光系统包括反射式光栅、N个角度可调反射镜的反射镜组、分光后的第N+1反射镜以及聚焦透镜。准直光束入射到反射式光栅进行一次衍射分光，衍射光经过反射镜组的第一反射镜后，再入射回光栅，进行第二次衍射分光，通过N个反射镜，在反射式光栅上进行多次衍射分光，最后一次衍射光经过第N+1反射镜转折光路后，入射到聚焦透镜；第一CCD相机放置于聚焦透镜焦距处，用于观测衍射光经过聚焦透镜后形成的近场模式图像；所述远场傅里叶变换系统包括沿光路依次放置的半透半反镜，第三平凸透镜，柱面镜，以及第N+2反射镜，半透半反镜放置于大于聚焦透镜焦距的位置，聚焦镜聚焦的光束入射到半透半反镜后，反射光经过平凸透镜和柱面镜，接着由反射镜反射，沿原光路折返后从半透半反镜另一侧透射出射，实现在慢轴方向上对近场模式进行远场傅里叶变换；第二CCD相机放置于半透半反镜的透射出射一侧，用于观测远场模式图像。

优选地，水冷系统为水冷管座，待测量的多模蓝光单管激光器安装在水冷管座上，水冷管座采用黄铜材质，内部有通水孔，实现单管温度稳定，保证输出模式结构稳定。

优选地，望远镜结构中的第一平凸透镜的焦距小于第二平凸透镜的焦距。

优选地，第三平凸透镜与柱面镜的焦距相同。

优选地，每次分光的入射光与衍射光角度满足光栅方程，在衍射光不消光的前提下，尽可能保证衍射光角度最大。

优选地，光栅放置于能保证多次入射光束的入射点都在光栅表面上的位置。

优选地，多模蓝光单管激光器发光点与非球面镜距离为非球面镜焦距；非球面镜与望远镜结构的第一平凸透镜之间的距离为其焦距之和；望远镜结构的两个平凸透镜之间的距离为其焦距之和；光束从望远镜结构的第二平凸透镜入射到聚焦镜走过的光程为其焦距之和；光束从第一CCD相机位置处到傅里叶变换系统的平凸透镜，所走过的光程为平凸透镜焦距；光束从远场傅里叶变换系统的平凸透镜到第二CCD相机位置处，所走过的光程为平凸透镜焦距；第三平凸透镜与柱面镜焦距相同，其间距为焦距的

倍；柱面镜与第N+2反射镜之间的距离为柱面镜焦距的

倍。

作为本发明的进一步优选，单光栅分光系统中，反射镜组可以通过调节N个反射镜的空间位置和角度，保证每一次衍射分光时，各个模式空间间隔越来越大。

作为本发明的进一步优选，聚焦透镜焦距应不小于1000mm，以保证模式空间分辨率。

作为本发明的进一步优选，柱面镜柱面方向应与多模蓝光单管激光器慢轴方向保持一致。

作为本发明的进一步优选，所有光学透镜均镀有对蓝光增透的膜层，以降低由透镜表面反射或散射引起的功率损耗和模式竞争；所有反射镜均镀有增强蓝光反射的膜层，以减少功率损耗；半透半反镜镀有一定蓝光反射率的膜层，能够实现蓝色波段光束部分反射部分透射。

作为本发明的进一步优选，光栅的适用光谱范围大于多模蓝光单管激光器的谱宽，且最大衍射效率在多模蓝光单管激光器光谱范围内。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

1、本发明提供了一种多模蓝光单管激光模式测量装置，通过反射镜组的空间位置角度调整，只需要一块光栅就能进行多次衍射分光。多次衍射分光解决了蓝光波长短而导致的分光困难，并且只需要一块光栅，成本低，光栅利用率高。

2、本发明所提供的多模蓝光单管激光模式测量装置，其光栅分光对入射光束的准直要求很高，本发明通过非球面镜和望远镜系统进行了两次准直，有效保证了光束的准直效果。

3、本发明所提供的多模蓝光单管激光模式测量装置，其远场傅里叶变换系统采用了第N+2反射镜和半透半反镜，压缩了测量装置体积。利用远场傅里叶变换，可以同时测量激光束的近场模式和远场模式，在近场模式结构无法分辨时，利用远场双峰结构特性建立蓝光单管模式模型。

附图说明

图1是本发明一种多模蓝光单管激光模式测量装置整体结构的整体光路图。

图2是本发明具体实施例的水冷装置图。

图3是本发明具体实施例的准直系统图。

图4是本发明具体实施例的单光栅分光示意图。

图5是本发明具体实施例的远场傅里叶变换图。

图6是本发明具体实施例的半透半反镜示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。

为了实现上述目的，本发明提供了一种多模蓝光单管激光模式测量装置，如图1所示，包括水冷装置，沿光路依次放置的准直系统、单光栅分光系统、远场傅里叶变换系统、用于观测的CCD相机。

具体地，下面结合可选实施例进行详述：

本实施例中，水冷装置为一个黄铜材质的水冷管座，如图2所示。多模蓝光单管激光器安装在水冷管座的凹槽(16)上，凹槽背后有两个通水螺纹孔(17)，可连接外置水冷机，控制单管温度，保证输出模式结构稳定。水冷管座的两个通孔(18)用于固定。

本实施例中，准直系统包括了一个非球面镜(2)和第一、第二平凸透镜(3,4)构成的望远镜结构。如图3所示，多模蓝光单管激光器(1)的出射光束首先入射到非球面镜(2)进行第一次准直，接着入射到望远镜结构的第一平凸透镜(3)后在焦距附近聚焦，接着扩散入射到第二平凸透镜(4)后完成扩束准直。光学透镜2、3、4的焦距分别为f₂、f₃、f₄。其中，为了保证对准直具有有益效果，第二平凸透镜(4)的焦距f₄大于第一平凸透镜(3)的焦距f₃。而非球面镜(2)与多模蓝光单管激光器(1)距离为f₂，与第一平凸透镜(3)距离为其焦距之和，即f₂+f₃；第一、第二平凸透镜(3,4)之间的距离为其焦距之和，即f₃+f₄。具有这种位置关系的多模单管激光器与三个光学透镜构成了4f系统，该系统的出射光束束腰位置即为多模蓝光单管激光器输出光的近场模式位置。

本实施例中，分光系统包括了一个反射式光栅(5)，第一、第二反射镜(6,7)构成的N＝2的反射镜组，分光后转折光路的第三反射镜(8)，以及一个聚焦透镜(9)。对于波长为λ的光束，以入射角为i入射到周期为a的反射式光栅上，衍射光出射角为θ。当入射光和衍射光位于法线同一侧时，其光栅方程为a(sini+sinθ)＝mλ；当入射光和衍射光位于法线两侧时，其光栅方程为a(sini-sinθ)＝mλ。如图4所示，从准直系统出射的准直光束，假设其纵模组包含了λ₁和λ₂两波长部分，其中λ₁<λ₂。光束入射到反射式光栅，入射角为i₀。由于入射光与衍射光位于法线两侧，因此根据光栅方程，光束中短波长λ₁部分的光束的衍射角大于长波长λ₂部分的光束衍射角。不同纵模开始发生初步分离，经过第一、第二反射镜(6,7)反射后，再入射回反射式光栅(5)。此时，两波长的入射点有一定间距，λ₁部分的光束的入射角为i₁，衍射角为θ₃；λ₂部分的光束的入射角为i₂，衍射角为θ₄，且i₁>i₂。由于入射光和衍射光位于法线两侧，根据光栅方程，θ₃>θ₄，因此纵模彼此进一步分离。彼此分离的纵模入射到聚焦透镜(9)，此时光束从第二平凸透镜(4)到聚焦透镜(9)走过的光程为其焦距之和，即f₄+f₉。由于光栅上的两次入射光束的入射点有一定空间，因此需要调整光栅位置，保证两次入射点都在光栅表面上。

由于光栅的线色散

因此，在衍射光不消光的前提下，每次衍射角度越大，线色散越大，模式空间分离效果就越好，且聚焦透镜(9)的焦距不小于1000mm，保证模式不会因为聚焦透镜焦距过小而分离效果变差，同时能在焦平面处用第一CCD相机(10)清晰观测到近场模式。对于多模蓝光单管激光器而言，其模式纵模组很多，且纵模间隔小，但选择合适刻线数的光栅，经过多次衍射分光后及聚焦后，能够在空间上分离到毫米量级。

本实施例中，远场傅里叶变换系统包括了一个半透半反镜(11)，第三平凸透镜(12)，一个柱面镜(13)以及第四反射镜(14)。如图5所示，光束从聚焦透镜(9)入射到半透半反镜(11)，反射光依次入射到第三平凸透镜(12)和柱面镜(13)，其中柱面镜的柱面沿光束慢轴放置。接着光束由第四反射镜(14)反射，沿原光路折返后从半透半反镜另一侧透射出射。其中，如图6所示，半透半反镜一侧镀有半反射膜层(19)，半透半反镜与从聚焦透镜而来的入射光束呈45°角，且镀有膜层的那一面靠近入射光放置。光束从第一CCD相机(10)到第三平凸透镜(12)所走过的光程为第三平凸透镜的焦距，这与第三平凸透镜(12)到第二CCD相机(15)的距离相同，即为f₁₂；而第三平凸透镜与柱面镜(13)的焦距相同，即f₁₂＝f₁₃，其间距为

柱面镜与第四反射镜(14)的间距为

满足这样的位置关系后，光束从第一CCD相机(10)处入射到第二CCD相机(15)，其快轴方向的传输矩阵为：

光束从第一CCD相机(10)处入射到第二CCD相机(15)，在慢轴方向的传输矩阵为：

在快轴方向，模式分布是近场模式的等比例缩放。在慢轴方向上，模式分布是近场模式的傅里叶变换。因此，在第二CCD相机(15)位置处，能够观测到远场模式分布。

进一步要说明的是，本实施例中，光学透镜均镀有蓝光增透膜，以降低由透镜表面反射或散射引起的功率损耗和模式竞争；所有反射镜均镀有增强蓝光反射的膜层，以减少功率损耗；反射式光栅(5)适用光谱范围大于多模蓝光单管激光器的谱宽，且最大衍射效率在多模蓝光单管激光器光谱范围内；半透半反镜(11)镀有一定蓝光反射率的膜层，能够实现蓝色波段光束部分反射部分透射。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多模蓝光单管激光模式测量装置，其特征在于，包括水冷系统、沿光路依次放置的准直系统、单光栅分光系统、远场傅里叶变换系统、第一CCD相机和第二CCD相机；所述水冷系统上设置有待测的多模蓝光单管激光器，水冷系统用于保持多模蓝光单管激光器温度稳定，保证激光输出模式结构稳定；所述准直系统包括一个非球面镜和沿光路依次放置的第一、第二平凸透镜组成的望远镜结构，非球面镜对多模蓝光单管激光器的出射光束进行一级准直、同时消除像差后，入射到望远镜结构，望远镜结构再对其进行扩束准直；所述单光栅分光系统包括反射式光栅、N个角度可调的反射镜组成的反射镜组、分光后的第N+1反射镜以及聚焦透镜，准直光束入射到反射式光栅进行一次衍射分光，衍射光经过第一反射镜后，再入射回反射式光栅，进行第二次衍射分光，通过N个反射镜，在反射式光栅上进行多次衍射分光，最后一次衍射光经过第N+1反射镜转折光路后，入射到聚焦透镜；第一CCD相机放置于聚焦透镜焦距处，用于观测衍射光经过聚焦透镜后形成的近场模式图像；所述远场傅里叶变换系统包括沿光路依次放置的半透半反镜、第三平凸透镜、柱面镜以及第N+2反射镜，半透半反镜放置于大于聚焦透镜焦距的位置，聚焦透镜聚焦的光束入射到半透半反镜后，反射光经过第三平凸透镜和柱面镜，接着由第N+2反射镜反射，沿原光路折返后从半透半反镜另一侧透射出射，实现在慢轴方向上对近场模式进行远场傅里叶变换；第二CCD相机放置于半透半反镜的透射出射一侧，用于观测远场模式图像；多模蓝光单管激光器发光点与非球面镜距离为非球面镜焦距；非球面镜与望远镜结构的第一平凸透镜之间的距离为其焦距之和；望远镜结构的两个平凸透镜之间的距离为其焦距之和；光束从望远镜结构的第二平凸透镜入射到聚焦透镜走过的光程为其焦距之和；光束从第一CCD相机位置处到远场傅里叶变换系统的第三平凸透镜，所走过的光程为第三平凸透镜焦距；光束从远场傅里叶变换系统的第三平凸透镜到第二CCD相机位置处，所走过的光程为第三平凸透镜焦距；第三平凸透镜与柱面镜焦距相同，其间距为焦距的1-1/√2倍；柱面镜与第N+2反射镜之间的距离为柱面镜焦距的1/√2倍。

2.根据权利要求1所述的多模蓝光单管激光模式测量装置，其特征在于，望远镜结构中的第一平凸透镜的焦距小于第二平凸透镜的焦距。

3.根据权利要求1所述的多模蓝光单管激光模式测量装置，其特征在于，柱面镜柱面方向应与多模蓝光单管激光器慢轴方向保持一致。

4.根据权利要求1所述的多模蓝光单管激光模式测量装置，其特征在于，反射式光栅的适用光谱范围大于多模蓝光单管激光器的谱宽，且最大衍射效率在多模蓝光单管激光器光谱范围内。

5.根据权利要求1所述的多模蓝光单管激光模式测量装置，其特征在于，所有光学透镜均镀有对蓝光增透的膜层；所有反射镜均镀有增强蓝光反射的膜层；半透半反镜镀有一定蓝光反射率的膜层，能够实现蓝色波段光束部分反射部分透射。

6.根据权利要求1所述的多模蓝光单管激光模式测量装置，其特征在于，聚焦透镜的焦距不小于1000mm。

Images