第23卷第3期 强 激 光 与 粒 子 束 Vo1.23,NO.3 2011年3月 HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS Mar.,2O11 文章编号: 1001—4322(2011)03—0577 04 二极管激光器垂直阵列光束精密准直 郭林辉, 高松信, 武德勇, 吕, 李 弋, 李 艾 (中国工程物理研究院应用电子学研究所,四川I绵阳621900) 摘要: 为实现二极管激光器垂直阵列输出光束具有小发散角、高指向精度的特点,简述了快轴准直 (FAC)微透镜的光束准直原理,分析了调节装置的精度要求及透镜选择等问题。通过光学成像方法实时监测 二极管激光bar条的近场像和远场像,对FAC透镜分别进行粗调节和细调节,获得了2O个bar条连续输出2 kW,垂直阵列二极管激光快轴准直光束远场发散角4.4 mrad,bar条间准直光束指向精度不大于±1.7 mrad 的准直效果,并对监测精度进行了简要分析。对影响光束准直效果的因素进行了分析,指出了工艺优化的重 点。 关键词: 二极管激光; bar条; 垂直阵列} 快轴准直; 指向精度 中图分类号:TN248.1 文献标志码:A doi:10.3788/HPLPB20112303.0577 随着大功率全固态激光器(DPL)和光纤激光器(FL)的快速发展,二极管激光器(DI )因其结构紧凑、电光 转换效率高、寿命长、易调制和易集成等优点被认为是最有前景的泵浦激光器口剖,在工业加工和医疗等领域得 到广泛应用。德国DII AS公司和美国nLIGHT公司最新的产品,都相继报道了2O个bar条垂直叠层阵列实 现快轴精密耦合效果小于4 mrad。大功率二极管激光泵浦模块技术的不断进步,对DL垂直阵列光束准直效 果和能量耦合效率的要求越来越高,进而对DL泵浦模块研制过程中快轴光束的精密准直耦合工艺提出了较 高要求,而快轴准直(FAc)微透镜的装调显得尤为重要。本文采用同时监测二极管激光器bar条近场像及远 场像的方法来指导微透镜装调,通过优化微透镜装配工艺,实现了光束小发散角、高指向精度精密准直。 1精密准直耦合输出原理及实验装置 1.1 FAC透镜准直耦合原理及安装精度分析 二极管激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器 (类似p-n结),其工作区厚度很薄,出射光束为严重不对称椭圆 像散光束,快轴方向(垂直于p-n结)发散角达到3O。~4O。,难于 di 直接与光纤耦合或泵浦固体激光器,因此为了获得小的准直发 bar 散角和高耦合效率,要求对快轴方向光束进行准直。 为了研究FAC微透镜的准直性能,使用光线追迹法描述二 极管激光bar条(或称二极管激光线阵)出射激光经过微准直透 镜后的效果,如图1所示,臼DL表示DL出射光束沿快轴方向的发 散角。 Fig.1 Ray tracing of diode laser beam through fast axis collimation(FAC)lens FAC透镜在大功率二极管激光bar条中应用时,对透镜的 图1光线通过FAC透镜的示意图 位置精度要求很高,FAC透镜的安装调节如图2所示,一般需 要六轴精密调节装置。定义FAC透镜焦距与物距的差为FAC透镜位置误差(也称位置容忍偏差),记为△z, 表示为 △Z一±0.5A/NA。 (1) 式中: 为二极管激光波长,nm;NA为数值孔径。 由于FAC微透镜尺寸和焦距都较小,对调节装置的精度要求很高,假设 一808 nm,NA一0.80,FAC透 镜长10 mm,FAC透镜焦距^ c一1 000/,m。以下对调节装置所需理论精度进行简要分析。 *收稿日期:2010—02—05; 修订日期:2010-11-09 基金项目:中国工程物理研究院重点基金项目(2007A10001);国家自然科学基金重大项目(60890201) 作者简介:郭林辉(1982一),男,硕士,主要从事大功率二极管激光及应用技术研究;02o222102b@163.corn。 578 强 激 光 与 粒 子 束 第23卷 (1)沿光轴方向:见图2中 轴,利用式(1)得Az一±0.63 m,即沿光轴方向(z轴)所需调节精度应优于±o.63 m; (2)绕z轴和Y轴旋转方向:见图2中 和』9 ,由沿z轴的 精度要求及简单三角关系,tanjg.一Az/5 mm,sinS,===Az/5 mm, 可得到 ≤O.13 mrad, ≤0.13 mrad; (3)沿Y轴方向:透镜沿Y轴方向的偏移量设为Ay,其直接 影响准直光束的发散角,导致光束偏转 ,根据近似关系式,占一 Ay/f ,若要求准直光束沿快轴方向的指向精度不大于±0.1o 时,则取 ≤±0.1。,求得Ay≤±1.74/zm; Fig.2 Adjusting FAC micro—lens 图2 FAC透镜的调节示意图 (4)绕z轴旋转方向:直接影响到Ay值,因此当Ay≤-+- 1.74/,m,根据简单三角关系tanp ̄一Ay/5 mm,得到 ≤0.35 mrad; (5)沿.z轴的移动精度对光束准直效果无影响,只要不影响透镜固定即可。 普通球面柱透镜准直效果较差,采用高折射率材料,可以提高耦合效率,但大角度离轴光线的球差降低准 直效果。消球差非球面透镜及球面梯度折射率透镜准直效果最佳,近似衍射极限l_5 ]。 1.2工艺改进及实验装置 大功率DL垂直阵列为实现小发散角、高指 向精度的光束耦合输出,采用同时监测准直光束 近场和远场像指导装调过程,逐个bar条安装 FAC透镜。实验装置如图3所示,阵列中bar条 出射光束由FAC透镜准直后经分光镜1,其反射 光进入柱透镜1及CCD1构成的近场探测系统, 光束经分光镜2后其反射光束进入柱透镜2及 CCD2构成的远场探测系统。 第一步粗调节,通过CCD1监测DI 的近场 像,调节FAC透镜,使近场像最佳。第二步细调 节,通过CCD2监测DL远场光斑,判断快轴方向 Fig.3 Experimental setup for beam collimation of diode laser vertical stack 的光强分布是否对称,结合bar条近场“smile”l6 图3二极管激光器垂直阵列精密准直耦合装调平台示意图 的具体形状,对FAC透镜做细调节,目的使远场光斑在快轴方向光强分布对称且光斑尺寸最小,同时需近场光 斑像清晰,强度分布均匀;细调节FAC透镜的高低控制远场光斑(沿快轴方向)质心位置到基准点来保证DL 阵列准直光束指向性精度。 FAC透镜经Uv胶固化后,由于胶水固化收缩及透镜重力等因素,透镜位置会有微小偏移,须控制其在某 个范围内,以利于控制bar条间准直光束指向精度。 2 实验结果及工艺分析 2.1 实验结果及测试分析 20个bar条垂直阵列二极管激光器经FAC透镜精密准直耦合输出近场效果图,如图4(a)所示,其准直光 束经透镜在其像方焦平面处远场整体光斑效果如图4(b)所示。 垂直阵列二极管激光器bar条间准直光束指向精度不仅影响阵列的整体发散角且影响远场光束的能量分 布,因此bar条间准直光束指向精度是衡量准直效果的重要参数,对大功率垂直阵列DI 泵浦模块的研制具有 重要意义。2o个bar条垂直阵列bar条间准直光束指向精度测试结果见图5。工艺优化前后的准直效果数据 见表1。 二极管激光远场、近场光斑的CCD精确测量,这是一个光学测量中的固有难题,在高功率激光器件中,光 斑如何测量准确,已经有很多研究工作。设d 为CCD相机光敏面上的最小可探测位移,则可探测的最小远 场角位移为 。 一d…/f。我们使用的CCD相机光敏面像素数为632×480,像素尺寸为13.5 p.m×13.5 m, 假设透镜的焦距为1 m,则可探测的最小角位移为Om 一d /f=13.5/Lm/1 m≈14/ ̄rad,由此可看出,理论上 第3期 郭林辉等:二极管激光器垂直阵列光束精密准直 579 (a)nearfield (b)farfield Fig.4 Near—field and far field intensity distributions of diode laser vertical stack 图4 二极管激光器垂直阵列准直耦合输出近场效果图及远场光斑图 该分辨精度是完全满足测量需求的。 由以上分析可得,在CCD相机分辨力一定的情况 要 。。 1 25 下,使用单透镜时,影响远场角位移测量精度的因素主要 是透镜焦距,如果增加焦距长度必然使得光路变长,透镜 口径增大且造价增大。在实际应用时,透镜焦距需要结 合CCD探测尺寸综合考虑,影响因素还涉及CCD动态 范围和信噪比,同时应防止周围及光路中的杂散光进入 探测器影响成像效果。 柱面透镜在沿镜面母线方向上对光线无影响,因加 富0 50 i 品一0.25 三 C 墓1 00 1 75 0 4 8 12 16 20 bar number 工中存在工艺差别。有些柱面镜的直线度不高,影响激光 Fig.5 Pointing accuracy among bars of diode laser vertical stack 图5 垂直阵列二极管激光器bar条间准直光束指向性精度 在快轴方向的传输,因此应使用高直线度的柱面透镜。 表1 工艺优化前后DL垂直阵列实验结果对比 Table 1 Experimental results before and after optimization of diode laser vertical stack 2.2 工艺讨论 结合DI 的封装流程,对多次实验数据分析,得到以下4方面信息: (1)夹持FAC微透镜的方式不合理及调节支架的低精度水平严重影响装调效果。由于DI 叠阵及微透 镜本身特殊的尺寸结构,优化微透镜夹持夹具很有必要。 (2)bar条的“smile”大小直接影响微透镜的装调难度。“smile”越大、弯曲形状越复杂,调节及固定越困难 且直接影响准直光束远场发散角及光强分布。 (3)Uv胶固化后出现收缩偏移,在实现透镜粘接工艺稳定的前提下,可通过预偏置量来校正uV胶固化 引起的透镜位移。 (4)提高垂直阵列bar条间的组装精度很有必要。bar条间沿激光出射光方向的误差必须小于FAC透镜 的焦距长度,否则FAC透镜无法调节到最佳处而影响准直效果。 3 结 论 通过x ̄--极管激光器垂直阵列FAC透镜准直耦合原理的简介和调节装置所需精度的分析,采用光学成像 法同时监测二极管激光bar条的近场及远场像指导透镜装调,优化了FAC透镜装配工艺,实现了小发散角、高 指向精度准直耦合输出效果,并对激光器远场发散角的测试进行了简要误差分析,结合DI 封装流程分析了影 响耦合输出效果的因素,指出了工艺优化的重点。 参考文献: [11 Boucke K,Jandeleit J。Brandenburg W,el al 58O Proc of SPIE.2001,4285:165—171. 强 激 光 与 粒 子 束 第23卷 E2] Bachmann F,Loosen P,Poprawe R.High-power diode laser[M].Berlin:Springer-Verlag,2007:40—45,131-135. [3] 武德勇,高松信,唐淳,等.940 nm波长高功率线阵二极管激光器封装研究[J].强激光与粒子束,2002,14(6):845—847.(Wu Deyong,Gao Songxin,Tang Chun,et a1.Packaging experiment of high power linear array diode laser with 940 nm wavelength.High Power Laser and Particle Bearns,2002,14(6):845—847) E4] Torsten P,Bernhard M.Microoptical components for coupling of high power laser diode bars[c]//Proc of SPIE.1999,3778:88—95. Es] Sturm V,Treusch H G,Loosen P.Cylindrical microlenses for collimating high—power diode lasers[c]//Pr0c of SPIE.1997,3097:717—726. E6] 郭林辉,唐淳,武德勇,等.大功率二极管激光线阵的“smile”测量方法EJ].强激光与粒子束,2009,21(2):l96—197.(Guo Linhui,Tang Chun, Wu Deyong,et a1.Measurement of“smile”for high—power diode laser array.High Power Laser and Particle Beams,2009,21(2):196—197) Bearn collimation of diode laser vertical stack Guo Linhui,Gao Songxin,Wu Deyong,L【1 Wenqiang,Li Yi,Li Ai (Institute of Applied Electronics,CAEP,P.0.Box 919—1013,Mianyang 621900,China) Abstract: Beam collimation mechanism O{the fast axis collimation(FAC)microlens iS described,and theoretical accuracy re— quirements for adjusting advice and the selection of lens are analyzed,for the output beam of diode laser vertical stack tO achieve small divergence angle and high pointing accuracy.The images of diode laser bar in the near field and far field are real—time moni— tored through optical imaging methods tO realize coarse and fine adj ustments of FAC lens,respectively.The output power of the 20一bar vertical stack is 2 kW,and the far field divergence angle of fast axis collimated beams is 4.4 mrad,with the pointing accura— cy among bars of less than±1.7 mrad.The monitering precision and the collimation influencing factors are analyzed,and the key of optimization is pointed out. Key words:diode laser; bar; vertical stack; fast axis collimation;pointing accuracy