基于ZEMAX的激光光束整形技术试验研究

基于ZEMAX的激光光束整形技术试验研究
叶锦函;郝晓剑;周汉昌
【摘要】由于半导体激光器的发散角较大且输出的光束光斑是椭圆形,因此需要对其输出的光束进行空间整形,形成一个近似圆形的激光光斑.激光扩束镜就是一种比较简单且非常方便的激光光束整形器件,本文将激光扩束镜作为一个激光整形系统与半导体激光器耦合.形成一个完整的激光光束整形系统.利用ZEMAX光学仿真,并进行室外试验验证,最后对试验结果进行了分析.
【期刊名称】《工程与试验》
【年(卷),期】2010(050)003
【总页数】3页(P46-48)
【关键词】ZEMAX;仿真;光束整形;扩束镜
【作者】叶锦函;郝晓剑;周汉昌
【作者单位】中北大学,电子测试技术国家重点实验室,山西,太原,030051;中北大学,电子测试技术国家重点实验室,山西,太原,030051;中北大学,电子测试技术国家重点实验室,山西,太原,030051
【正文语种】中文
【中图分类】TN248.1
1 引言
在激光技术的许多应用领域中,光束质量至关重要。

激光材料加工,光学信息处理、
存储和记录,激光的医学临床应用等领域,都对光束质量有较高的要求。

在非线性光
学的频率变换技术中,要求抽运激光束强度均匀;在高功率固体激光器和放大器中,输入光束的不均匀性会导致非线性效应,使输出光束质量变坏,甚至损坏激光工作物质。

激光光束质量不仅影响激光器的整体性能,也极大地影响激光技术的应用水平。

通
常激光器发出的激光束的空间强度分布呈高斯分布,即高斯激光束。

在很多应用中,
希望激光束是均匀分布。

因此,对激光光束进行整形变得尤为重要,由此产生了多种
激光光束整形技术。

近年来,激光光束整形技术成为研究的热点。

所谓激光光束整
形技术,是指改变入射激光束的强度分布为所需要的强度分布,同时调整光束的相位
分布来控制传播路径。

目前,激光整形技术可分为以下几类:组合透镜法、单透镜法、渐变折射率透镜法、液体透镜法、衍射法、反射法等。

本文利用ZEMAX光学仿真设计软件对透镜组合法进行仿真和室外试验验证,讨论有关二元光学在激光光束整
形方面的应用研究。

2 ZEMAX仿真
该仿真是利用两片平凸透镜组合成一个激光扩束镜来对入射的激光光束进行准直整形。

激光扩束镜镜头参数见图1。

图1 镜头数据
该激光扩束镜对入射的光束扩束倍数为5倍,仿真3D效果图如图2所示。

图2 仿真3D效果图
3 试验
3.1 室外试验
本试验将采用532nm半导体激光器作为光源进行室外试验,另外选用扩束倍数为5倍的激光扩束镜与其衔接进行准直整形。

设定技术要求:半导体激光器的光束在200m处所呈现的光斑尺寸小于40mm,并且光斑场强要求分布较均匀。

本次试验是在室外进行不同距离的光斑准直,对准直前与准直后的光斑尺寸进行分
析和比较。

距离分别选取50m、100m、150m和200m。

图3-图6为光斑在不同距离的接收屛上在准直前与准直后的对比图。

图3 50m处准直前后光斑对比
3.2 试验数据
未加扩束镜前所测得的光斑尺寸数据及衔接扩束镜后所测得的光斑尺寸数据分别见表1、表2。

表1 未加扩束镜前所测得的光斑尺寸数据传输距离(m) 50 100 150 200光斑尺寸(cm) 4.5 10.5 15.2 19.8
表2 衔接扩束镜之后所测得的光斑尺寸数据传输距离(m) 50 100 150 200光斑尺寸(cm) 1.1 2.0 3.3 4.1
3.3 试验结果分析
在未加扩束镜之前,激光器的发散角大小按下式计算:
L代表激光传输距离,D代表光斑直径。

L分别取50m、100m、150m以及200m。

相应的D选取4.5cm、10.5cm、15.2cm及19.8cm。

代入公式(1),可得:
θ50=0.9mrad;θ100=1.05mrad;θ150=1.01 mrad;θ200=0.99mrad 。

经过扩束镜准直整形之后,半导体激光器的发散角为:
L代表激光传输距离,D′代表经过扩束准直之后的光斑直径。

将准直之后的参数按
上述要求代入公式(2),
得:θ′50=0.22mrad;θ′100=0.2mrad;θ′150=0.22mrad;θ′200=0.2mrad 。

在未加扩束镜之前,半导体激光器在不同距离处所呈现的光斑尺寸明显大于预先所
设定的技术要求,并且发散角也较大,故需要对激光光束进行准直整形设计。

在衔接
扩束镜之后,光束的光斑尺寸和光斑的质量改善比较明显,达到了预先所设定的技术
要求,发散角也相应地被压缩,整形效果良好。

由于在做试验时,外部一些因素的影响以及光学系统本身存在的缺陷,都会引起系统的像差。

大气湍流的存在,激光光束在
大气里的传输过程中将发生弯曲和起伏。

理论和实践证明,利用激光扩束镜对半导
体激光器的激光光束进行准直整形,效果非常好,并且可以提高光斑场的强度分布,也可以在一定程度上补偿由于大气湍流等因素引起的光斑漂移和光斑边缘模糊等现象。

4 结束语
迄今已经发展了多种激光束空间整形技术,有些技术已经成功地应用到固体激光器
和气体激光器的光束整形中,输出光束质量较以前有很大提高。

其中,激光扩束镜元
件以其强大的功能,在光束空间整形上将有着广泛的应用前景。

如何得到能量利用
率高、均匀化程度好的光束将是空间整形技术的发展目标。

目前,激光束空间整形
的研究继续向纵深发展,随着计算机模拟、设计手段进一步完善,将会出现更有效的
空间整形技术和器件。

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