半导体激光束整形器的设计与分析.pdf

维普资讯 半导体激光束整形器的设计与分析 l — ． 。 f中国科学技术大学精密机械与精密仪器系 台肥 230026) 摘 要 随着加工技术的不断发展，特殊曲面的光学加工已成为可能，它可以采用由特殊曲面构成的光 柬整形器来实现任意波面的变换．本文根据能量平衡和光程相等的原理-导出一组非平行入射光束的 词 ’一 龇 艨 奶 器 、 l 引 言 激光光束在其横截面内光场强度的非单值性大大影响了它的使用，故长期以来许多科研人 员致力于光束均匀化方法的研究。他们采用非球面透镜法 【，计算全息法 ，以及现在正兴 起的二元光学法 [4~63等。早在舳年代初由Sh~Jy等提出的非球面透镜法，它具有能量转换率 高．可实现任意波前变换及同轴等优点。但当时的技术条件难以实现复杂面形的加工，故基本上 只适用于旋转对称的面形。近来随着数控加工技术的发展，由计算机精密控制机床，可以加工多 坐标 自由形体，结合光学塑料注模工艺的日趋成熟，将改变传统透镜单一形状的限制，能够按照 我们的要求设计出任意面形的透镜。 本文基于文献 r111的非球面透镜法，用一块透镜整形器前后两个不同的表面形状取代两块非 球面透镜。根据入瞳与出瞳之间能量平衡 光线光路追迹及等光程原理，推导出一组非准直入射 光的面形设计公式，给出用于准直与均匀化半导体激光束的整形器设计结果，并分析了整形器 的性能。 2 设计原理 建立笛卡尔坐标系，原点设在光源处。入射光束投射到整形器的第一面 (记为面 1)上，然后 发生折射，通过控制整形器表面形状，使得传播到整形器第二面 (记为面2)上的能量均匀分布， 维普资讯 188 量 子 电 子 学 报 经过面 2将发散光束变成平行光输出。所要解决 的问题是，求出整形器两个表面的面形表达式 = ，(z，)和 z=v(x，y)。但是求分析解非常困难。 本文采用数值分析方法。 如图 1所示，轴上 O点为光源所在点．光源 发出的一条入射光线 A在面 1上的投影点坐标 为 (z )，折射光线 B在面 2上的投影点坐标为 一 (X， z)。入射光截面的单位面积能量为 ， 出射光截面的单位面积能量为E(，y)=常数。入 圈 1整形器光柬变换示意图 瞳 = o的平面)与出瞳 = 的平面)之间能 量平衡，即 ，“／一() ：XMAX广 “E置(y)栅dy： xE (1) J0 J0 Ju J0 其中z一 ，ax是面 1上入射光斑的大小 ；XMAX，YMAX是面2出射光斑的大小。当这四个值巳 知，则E由方程 (1)可求 一z ： ￡ (2) MAx．1rMAx 设入瞳上高度为 ，宽度为 z一 的光斑与出瞳上高度为y，宽度为 x的光斑能量相等，则 y一： E (3) 一 凰 L 同样入瞳上高度为 ，宽度为z的光斑与出瞳上高度为y，宽度为X的光斑能量相等，则 ： E．Y (4) 由等光程