基于ZEMAX的激光光束整形技术试验研究

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。
[ 收稿日期 ] [ 作者简介 ]
2
ZEM AX 仿真
该仿真是利用两片平凸透镜组合成一个激光扩
2010- 08- 21 叶锦函 ( 1984- ) , 男 , 陕西榆林人 , 在读硕士研究生 , 主要研究方向为光电探测理论与技术。
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No . 3 2010
叶锦函 , 等 : 基于 ZEM A X 的激光光束整形技术试验研究
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结束语
迄今已经发展了多种激光束空间整形技术, 有
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参考文献
[ 1] 王述红 , 张亚兵 , 张楠 , 等 . 各向异性岩体破坏过 程声发 射测量及其定位试验 研究 [ J] . 东北 大学 学报 ( 自 然科 学版 ) , 2007, 28( 7) : 1033- 1036. 唐 春 安 . 岩 石破 裂 过程 声 发 射规 律 的数 值 模 拟初 探 [ J] . 岩石力学与工程学报 , 1997, 16( 40) : 368- 374. 唐春安 , 王述红 , 傅宇方 . 岩石破裂过程数 值试验 [ M ] . 北京 : 科学出版社 , 2003. 徐珂 . 混凝土 岩石两 体损伤 破坏及 变形规 律的 研究 [ D] . 西华大学 , 2007. Fedor ow , V . V. R egr essio n problems w ith contr ollable var iables subject to er ro r [ J] . Bio metrika, 1974( 61) : 49- 55. 蒋海昆 , 张流 , 王 琦 . 实 验室声 发射三 维定位 及标 本波
图3 50m 处准直前后光斑对比
可得:
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工程与试验
September 2010
= 0 9mr ad ; 100 = 1 05mr ad ; mrad; 200 = 0 99mrad。
50
150
= 1ຫໍສະໝຸດ Baidu01
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。
表1 未加扩束镜前所测得的光斑尺寸数据 50 4 5 100 10 5 150 15 2 200 19 8 传输距离 ( m) 光斑尺寸 ( cm) 表2
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 40m m, 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。
Study on Laser Beam Shaping Technology based on ZEMAX
Ye Jinhan, H ao Xiao jian, Z ho u H anchang ( N at ional K ey L abor at ory f or El ect roni c Measur ement T echnol og y , N or th Universi ty of China, T aiy uan 030051 , S hanx i, Chi na ) Abstract: T he sem iconduct or laser has lar ge divergence angle and the spot of laser beam is ov al, therefor e, t he laser beam must be shaped by opt ical syst ems to for m a r oug hly circular laser spot. Because o f t he sim ple st ruct ure and easy f abricating, t he laser beam ex panders have been used in many pract ical applicat ions fo r beam coll im at ing of semico nduct or laser. As a laser shaping sys t em, t he laser beam expanders are co upled w it h semico nduct or laser to f orm a co mplet e laser beam shaping system. T he opt ics simulation is done based on ZEM AX. At last , t he o ut do or ex periment s are t est ed, and t he test result s are analyzed. Keywords: ZEM AX; simulat ion; laser beam shaping; laser beam ex panders 行整形变得尤为重要 , 由此产生了多种激光光束整
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
3 1
试
验
室外试验 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。
经过扩束镜准直整形之后 , 半导体激光器的发 散角为: = D L ( 2)
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: 50 = 0 22m rad; 100 = 0 2m rad; 150 = 0 22mr ad ;
200
[ 7]
速场各向异性研究 [ J] . 地震 , 1999, 19( 3) : 245- 249. M . H . B. N asseri, B. M ohant y, R. P. Y oung . Fr actur e T oughness M easur ements and A co ustic Emissio n Ac tivit y in Brittle Rocks[ J] . P ur e and A pplied Geo phys ics. 2006, ( 163) : 917- 945.
Vo l. 50 No 3
工程与试验 EN GIN EERIN G & T EST
Sep. 2010
基于 ZEM AX 的激光光束整形技术试验研究
叶锦函, 郝晓剑, 周汉昌
( 中北大学 电子测试技术国家重点实验室 , 山西 太原 030051)
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
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
1
引
言
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 ZEM AX 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。
衔接扩束镜之后所测得的光斑尺寸数据 50 1 1 100 2 0 150 3 3 200 4 1
传输距离 ( m) 光斑尺寸 ( cm)
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 : = D L ( 1)
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) ,
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 ZEM A X 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。 关键词 : ZEM A X; 仿真 ; 光束整形 ; 扩束镜 中图分类号 : T N248 1 文献标识码 : B doi: 10 3969/ j. issn. 1674 3407. 2010. 03. 015
= 0 2m rad 。
参考文献
[ 1] [ 2] [ 3] 毛文炜 , 傅振海 . 实 现灵活光束转换的二元光学器件 及 其应用 [ J] . 中国激光 , 1997, A24( 4) : 289- 292. 赵为党 , 杨李茗 , 虞淑 环 . 激光光 束整形 的设计 和研 究 [ J] . 红外与激光工程 , 1999, 28( 1) : 29- 32. 黄骝 , 张少军 , 李延廷 . 激 光光束 的空间 整形理 论基 础 及发展展 望 [ J] . 北京 工业大 学学 报 , 2002, 28( 2) : 203 - 206. [ 4] [ 5] 吕百达 , 蔡邦维 , 张彬 . 强 激光的 空间整 形和靶 面均 匀 辐照技术 [ J] . 红外与激光工程 , 1999, 28( 1) : 25- 28. Stev enson R M , N or man M J, Bett T H. Binary phase zone plate ar rays for the generat ion o f unifor m focal pr ofiles[ J] . Opt. L ett. , 1994, 19( 6) : 363- 365. [ 6] [ 7] 龚华平 , 吕志伟 , 林殿 阳 . 激光束 空间整 形的研 究现 状 [ J] . 激光与光电子学进展 , 2005, 42( 9) : 2- 4. 黄德修 . 半导体 光电子 学 [ M ] . 电子 科技 大学出 版社 , 1989: 83. [ 8] 吕百达 . 激 光光学 [ M ] . 成都 : 四川 大学 出版社 , 1992: 88- 112.