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
