（光学专业论文）激光通过特殊光导管的传输特性研究.pdf

ab s t r a c t ab s t r a c t s e m i c o n d u c t o r l a s e r s h a v e b e c o m e i r r e p l a c e a b l e c o m p o n e n t s o f m a n y m o d e r n o p t o e l e c t r o n i c a n d p h o t o s y s t e m s . f o r t h e s e m i c o n d u c t o r l a s e r s h a v e a l a g e r d i v e r g e n c e a n g l e a n d t h e o b v i o u s l y d i ff e r e n t i s s u r v i v e d b e t w e e n t h e h o r i zon t a l d i r e c t i o n a n d t h e p e r p e n d i c u l a r d i r e c t i o n , s o i f w e u s e t h e m a s t h e p u m p - s o u r c e s o f t h e s o li d - s t a t e - l a s e r s , w e s h o u l d r e s h a p e t h e b e a m o f t h e s e m i c o n d u c t o r l a s e r s a n d c o u p l e t h e b e a m i n t o a s m a l l e r a r e a t o t h e l a s e r c ry s t a l . t h e r e f o r e i t n e e d s s o m e b e a m re s h a p i n g d e v i c e s t o a m e l i o r a t e t h e q u a l i ty o f l a s e r b e a m a n d e n h a n c e t h e c o u p l i n g e ff i c i e n c y . t h i s t h e s i s i n v e s t i g a t e s t h e d e s i g n a n d c h a r a c t e r s o f t h e b e a m re s h a p 吨 d e v i c e s . i t i n t r o d u c e d s o m e b e a m r e s h a p 吨 d e v i c e s w h i c h w e re p r e v a l e n t , a n d m a d e a n a l y s i s a n d s u mma r i z e a b o u t t h e i r c h a r a c t e r i s t i c s . t h e n t h r e e n e w k i n d s o f d e v i c e s f o r b e a m r e s h a p i n g w e re d e s i g n e d a n d , i n c l u d 吨: a m e l i o r a t e d t a p e r - d u c t ; d u m b b e l l - d u c t ; h o m s - d u c t . t h e r e s e a r c h o f t h e t h r e e n e w d e v i c e s a b o v e a d o p t e d d i ff e r e n t m e t h o d s . a s w e k n o w n t h a t t h e d i m e n s i o n o f t h e t a p e r - d u c t i s e a s y t o d e s i g n a n d p r o c e s s , t h e r e f o r e , t h e m e t h o d o f r a y - t r a c 吨 w a s u s e d t o a n a l y s i s t h e r e s h a p i n g s y s t e m , a n d t h e n u s e d ma t l ab a n d z e max t o s i mu l a t e . t h e c h a r a c t e r s o f t h e h o r n s - d u c t a n d d u m b b e l l - d u c t w e re m e a s u r e d . t h e t h e s i s g a v e n o v e l d e s i g n s o f t h e h i g h - l u m i n a n c e p o i n t s o u r ce u s i n g h o rn s - d u c t a n d t h e d u m b b e l l - d u c t d e v i c e t h a t w a s u s e d t o c o m b i n e t w o o r m o r e l a s e r b e a m s i n t o o n e w i t h u n i f o r m i n t e n s i ty d i s t r i b u t i o n . k e y wo r d s :re s h a p i n g o f l e a s e r b e a m t a p e r - d u c t d u m b b e l l - d u c t h o rn s - d u c t p o i n t s o u r ce 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项 内容:按照学校要求提交学位 论文的印刷本和 电子版 本;学校有权保存学位论 文的印 刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 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( 2 )半导体激光器的使用寿命最长。目 前用于光纤通讯的半 导体激光器，其工作寿命可达数十万乃至百万小时，用于固体激光器泵及材料 加工的千瓦级大功率半导体激光器，其工作寿命可达一万小时以上; ( 3 )具有 高的直接调制能力 ( 2 0 g h z )， 也是半导体激光器有别于其它激光器的一个重要 特点; ( 4 )另外，它所具有的体积小、重量轻、高的 性能价格比， 这也是其它 激光器无法比 拟的。这些优异的特性使得半导体激光器在光通信、光信息存取、 激光印刷与复印、泵浦大功率固体激光器、激光材料加工、激光武器、生物和 医学等领域获得了非常重要的应用。 1 .3制约半导体激光器进一步发展的主要因素 然而影响和限制大功率二维阵列半导体激光器进一步应用的主要因素是: ( 1 )较差的光束质量或较大的光束参量积; ( 2 ) 在垂直和平行于结平面方向 存在不同的像散导致椭圆光束输出; ( 3 )各发射单元的非相干祸合光输出。这 些不利因素影响和限制大功率二维阵列半导体激光器进一步应用。例如，半导 体激光器仅仅应用于对光束的可聚焦性要求不高的激光材料加工领域。而低功 率半导体激光仅应用于印刷技术、塑料、橡胶等非金属材料的熔焊及切割，而 不能应用于打孔和打标;对高功率半导体激光仅应用于烧结、金属的表面硬化 及熔覆，而不能应用于金属的深注入焊接、切割等。从而限制其在飞机、 汽车 和机车车辆等运输制造业中的进一步应用。 因此，对于大功率二维阵列半导体激光器主要的研究目 标及重点是:如何 提高激光亮度，最大激光亮度是由最大可获得的光强和最小光束立体角所决定。 在激光输出功率一定的情况下，最大可获得的光强需要最小可聚焦光斑的大小， 而最小可聚焦光斑的大小和最小光束立体角由高的光束质量决定的。因此，改 第一章 绪论 善光束质量是决定大功率二维阵列半导体激光器能否获得进一步应用的关键， 它不仅直接关系到激光光束可聚焦光斑的大小及亮度、激光器与光纤的祸合效 率，而且影响激光与物质相互作用效果。所以对大功率半导体激光器来说，光 束质量尤其重要。 1 .4光束藕合系统及其发展现状 为使半导体激光器输出的高斯光束能够高质量、高效率地传输到目 的物上， 光学祸合系统是不可少的。在通常情况下，光学祸合系统的主要功能是: ( 1 ) 能够将激光束高效率地祸合到目 的物， 如作为信息和能量传输介质的光 导纤维中或接受泵浦的激光介质( 如 n d :y a g 晶体) 中。 ( 2 ) 对半导体激光器的输出光束进行整形，压缩光束发散角或光束束腰半径， 改善远场对称性和光斑形状。 1 .4 . 1激光二极管的祸合 目 前，对于激光二极管的祸合主要有以下几种方式:组合透镜祸合、非球 面透镜祸合和自 聚焦透镜祸合。组合透镜祸合方式的祸合系统比较复杂，光学 元件多，调整难度大，各透镜的损耗及像差造成整个系统的祸合效率不高;非 球面透镜的加工精度要求高，因而成本较高，加工时微小的偏差都会造成祸合 系统祸合效率的下降:自 聚焦透镜由于具有元件加工简单、成本低、调整方便、 聚焦光斑尺寸小等特点被广泛应用。 1 .4 2列阵半导体激光器的祸合 对于列阵半导体激光器( b a r ) 而言，通常有自 聚焦透镜祸合【” 、光纤祸合阁 、 多透镜组 合祸合、 多棱 镜列阵祸合fl 、 双平面 镜祸合l id 微台 阶反 射镜祸合fu 微片棱 镜堆祸合( 12 1 等祸合方 式。 由 于自 聚焦透镜祸合方式是将b a r 上每 一个发光 单元发出的光束用小自 聚焦透镜祸合起来，所以祸合元件的加工精度高，祸合 效率只有8 6 % ; 利用光纤对列阵半导体激光器祸合能够获得具有较好光束质量的 光束， 但光纤的调整、 定位需要的精度较高， 文献报道的光光效率仅为2 5 % ，且 不适用于功率较大的激光器;组合透镜祸合是一种比较成熟的祸合方式，但由 于这种祸合方式没有改变半导体激光器水平和垂直方向上的拉格朗日量，所以 得到的聚焦光点为长方形，且祸合效率都不高:多棱镜列阵祸合、双平面镜祸 合、微台阶反射镜祸合、微片棱镜堆祸合几种祸合方式均能改变水平和垂直方 第一章 绪论 向上的拉格朗日量，只是改变的方式有些不同，双平面镜祸合方式是将水平方 向上的光束分成若干份， 然后将它们相互叠加起来，从而改变了各个方向 上的 光束质量，而其它三种方式都是在将水平方向上的光束分成若干份的基础上， 再把这几份光束旋转9 0 0 ，从而达到改变光束质量的目的。 1 .4 . 3面阵半导体激光器的祸合 对于面阵半导体激光器( s t a c k ) 的祸合，可以采用组合透镜的祸合方式，但 祸合系统比较复杂，由于各个透镜的损耗及像差的影响会造成祸合效率和泵浦 效率都不高。一种新形的非成像光学元件透镜导管作为祸合系统可以比较 好的解决这个问题。透镜导管由于具有结构简单、传输效率高、易于加工调试、 成本低、 有利于与 激光 模式匹 配的 正方形输出 面等 特点 而倍 受大家的 青睐l 13 ) (14 1 第二节 目 前比较流行的几种藕合与整形方法 几十年来， 人们在乙 刀纵向 抽运固体激光器的祸合系统的研究中做了大量的 工作，尝试了 许多种方法，经验证行之有效并已 普遍采用的有以 下几种: 1 、 直接祸合 16 2 、 组 合透镜系统聚光 3 、光纤祸合系统11 6 4 、自 聚焦微透镜祸 合5 、非球面柱透镜祸合 1a 6 、透镜导管系统 la u lal (w ) 2 a 7 、空心导管系统p 31 虽然人们为了得到较高的祸合效率，采用了多种多样的手段，他们的实验 也取得了成功，但我们通过分析就会发现祸合技术尚未发展完善。光纤祸合技 术中由于二极管单元线阵与光纤的功率祸合系数较低， 一般很难超过 6 0 %，其 次， 激光二极管和光纤对准比 较困难， 对准装置的 成本也比 较高， 所以 造价比 较 昂贵。透镜导管将泵浦光转换之后，虽然压缩了发光面积，改善了光场分布， 但其发散角将增大，将影响激光介质对泵浦激光的吸收，不利于转换效率的提 高，同时在设计时我们还发现， 使用透镜导管祸合时，乙 刀数组的慢轴方向 不能 太长，一般应不大于 l o m m ，否则将很难保证光线在导管内部的全反射。空心导 管虽然可以得到较小的泵浦光斑尺寸， 但其发散角较大，因此它的出 射口 必须 靠近激光介质的端面，而且要求激光介质有较大的吸收系数，以得到较小的泵 浦范围。另外两种方法局限性更大，直接近祸合受功率的限制，微透镜一般聚 焦后仍为椭圆形，且发散角增大。非球面祸合系统设计计算较复杂，加工检验 较困难，当前工艺水平还难以达到设计质量的要求，所以长期以来在应用上受 第一章 绪论 到了很大的限制。但随着光学仪器事业的不断发展，同时由于计算机的功能日 益强大，高精度自 动化机床的出现，工艺不断更新，为广泛设计和使用非球面 祸合系统提供了极为有利的条件。 第三节 本论文主要内容 本 论 文中 介绍了s i e g m a n 理论中 的 光束质量因 子( 即m2 因 子) 的 一 些基本 原理及其在激光实际研究中的一些问题。m2 因子对光束质量的评价， 对影响光 束质量因素的分析和对改善光束质量方法及能力的研究都是非常有意义. 但是， mz 因子并不是一个普适的 评价参数。 对光束质量的评价， 可根据实际 应用目的 而论， 给出比较标准和评价参数( 也可用多种参数) ， 并没有统一的结论。对光束 质量因子的了解有助于加深对整形的目的和意义的理解，并且明确整形工作的 方向。 在本论文的 第三章中 主要介绍了比 较成熟的多 种对于 激光二极管( l d ) 及其 阵 列( l d a ) 的 半导体激光光束整形和祸合的办法， 这其中 主要 包括: ( 1 ) 普通 形透镜导管的设计方法和性能分析，以 及它的优缺点; ( 2 )空心透镜导管的设 计方法以 及它和普通形透镜导管的区别; ( 3 )空心导管的设计方法以及它的出 光性能等特点 ( 4 )圆锥形导管的设计方法和它的光强出射分布情况。 在本论文的第四章中我们提出了三种新形的光导管: ( 1 )改进的圆锥形光 导管 ( 2 )哑铃形光导管 ( 3 )牛角形光导管。经过简单设计和加工后，制作了 一些样品，并对这三种元件的样品分别做了相关实验和模拟。实验工作主要集 中在测量后两种整形元件对于半导体激光束的整形作用，并分别发现了牛角形 光导管具有生成强点光源和哑铃形光导管能够合成多束非相干激光束的能力， 同时，哑铃形光导管还能在一定范围内可以制作面光源的特性。 第二章 有关光束质量的若千问题和某些研究进展 第二章 有关光束质量的若干问题和某些研究进展 第一节 m2 因子的定义 光束质量是衡量激光光束优劣的一项重要指标。光束质量的评估与控制是 应用激光领域内 研究的重要课题。历史上光束质量的定义是混乱的， 曾针对不同 的 应用目 的 提出 过不同 的 评价方法。 二十 世纪九 十年代初， s i e g m a n 建议采用mz 因子统一地描述激光光束的质量。 激光光束的m2 因子又称光束的质量因子， 为 合理地比较不同激光系统的光束质量提供了一个统一的标准，是激光光束质量 的评估和控制的理论基础。众所周知，由传统光强二阶矩定义的光束质量因子 m2 2 1 ，其中对基模高斯光束m2 = 1 ，其形式与量子力学的不确定关系有一定 的对应关系。然而， 近年来己 有文献报导。当光源的半径 ( 或光束的束腰半径) 很小时。 非傍轴光束的 质量因子m2 可以 小于1 . 基于传统光强二阶矩定义的光束质量因 子m2 为cs 3 7 m = 基模高 斯光束的束腰半径为 压 场发散角 实际 光束的 束腰半径即传统光强二阶 矩定义下的光束半径w ( 习的极小值 w n ,i. ， 光束的 远场发散 角e 定义为: t a ng =1 i m d w( z ) ( 2 . 1 ) 对 基 模 高 斯 光 束 ， m 2 = 二 气. - o , = .1 l a ms = ) r w . i. . b i 又 。因此( 2 . 2 ) 式通常又表示为 ( 2 .2 ) 由 ( 2 . 2 ) 式可知， 光束的 质量因子m2 是以 基模高斯光束作为统一的比 较标 准，即基模高斯光束具有最好的光束质量m2-=1。 第二章 有关光束质量的 若干问 题和某些研究进展 第二节 几种典形光束的mz 因子分析 ( 1 )厄米 高斯光束 这种模式混合的光束质量因子，用直角坐标下的质量因子表示，则是各个 模式相对强度的加权平均: 3)4)5) (2(2(2 m 2 , = 艺艺( 2 m + 1 ) i c _ 12 m 2 y = 艺艺( 2 n + 1 ) i c _ 12 用径向质量因子表示则有: m 2 , = 艺艺( m + n + l ) i c h 翻-0月 -o 嵘为 权 重 因 子 ， 且艺 i 焉12 = 1 0 显 然 ， 只 有 在 该 光 4 草 纯 由 t e m oo 模 块 成 而 无 高 阶 模 时 ， 质 量 因 子 才 可 能 有m , 2 = 1 . ( 2 )拉盖尔高斯光束 这种情况下的径向 光束质量因子为12 4 7 , m r2 一 全 至 (2 p + 1 + 1) i c a 12( 2 . 6 ) 户 . 0 r 0 - p 心为 权 重 因 子( p , 1 为 模 序 数 ) ， 且 艺， ， ! 几1z = 1 e ( 3 )多模高斯光束 在多模式非简并情况下，多模激光器各个模式之间不存在相干。如果假定 本征模式为高斯模， 4 ) 式 所示 ， m , 2 为 困 则 多 模 激 光 束 为 高 斯 混 合 模 光 束 ， 此 时 衅 、 从， 如 ( 2 .3 ) , ( 2 . m 2 = 全 全 (2 m + p + 1 + 1) ic a 12 户 . o 1 -0 7 ( 2 乃 第二章 有关光束质量的若干问题和某些研究进展 由 气12 、 i 马， 的 归 一 性 可 知 : m s 2 , 可 , m , 2 1 由此可见，多模中高阶模的存在使光束质量下降。 ( 4 )高斯 谢尔模形光束 对于高斯 谢尔模形光束， 其远场发散角8 为阎: 8 = u m w ( z ) . _ 2 .1 . ( n 0 ) 2 十 1 。 。 z ; fo y - 2 0 o ( 2 . 8 ) 式中 ， w 0 为光束的 束 腰直径， 凡为 相干长度， 是 光束相 干性的 量 度， 定 义: r . w , 、 ， 1 一 2 p =! 2 +l = j 一i l /00 j ( 2 . 9 ) 则( 2 .9 ) 式可简写为: 7 r w,b , ( 2 . 1 0 ) ( 2 . 1 1 ) =0 o端 于是有: 高斯 谢尔模形光束的m2 因子为: 、 ， 一 w o8 一 ， / j6 , w o a ( 2 . 1 2 ) 对 一 般 情 况( 部 分 相 干 光 ) ， a 0 为 有限 值， 由 ( 2 .9 ) . ( 2 . 1 2 ) 式 可 知 ， m 2 1 。 相 干性越好， 0 0 越大， 则m2 越接近 1 ， 极限情况下0 0 -+ 0 o( 理想高斯光束) ， m2 =1 。 第二章 有关光束质量的若干问题和某些研究进展 第三节 m2 因子评价光束质量的优点和不足 s i e g m a n将基于实际 光束的空间 和空间频谱的 二阶矩表示的 束宽 积来定义 光束质量m2 因子， 它相当于从描述光波的复振幅的无穷多 信息中， 通过二阶矩 的形式来抽取组合出m2 因子， 而且可以证明它是一自由 传输空间不变量， 相当 于几何光学中的拉格朗日 不 变数2 7 ， 它能反 应光束的 基本特性，并具有众多优 点: ( 1 ) 能在物理上客观地反映光束远场发散角和高阶模含量，而且这一方式定 义的光束质量具有最小值，它对应了 理想的高斯光束， 表明 任意光束的 光束质量不可能优于衍射极限。 而其它的束宽或发散角定义方式，有可 能导致光束质量优于衍射转换极限这一谬误侧。 ( 2 ) 光束质量为m2 的 光束的瑞利距离比 理想高斯光束短m2 倍， 瑞利距离是 表示光束聚焦 特性的 重要 物理量【29 3 ) 可以 解析地表示任意光束束宽的 传输变换关系。 ( 4 ) 可以 将高斯光束的a b c d 定律推广至任意光束， 它在光学系统的设计中 有 着重要的应用价值。 m2 因子可以由 光束的 三个不同 位置的束宽决定， 但其精确测量， 需要知道 完 整的 光 强 分 布， 这 将 受 限 于 探 测 系 统c c d的 分 辨 率，m 2 因 子 测 量 将 不 适 用 于存在极高频光强调制的光束。 本章小结 m2 因 子概念和 相关定 义的 规范化 ，有助于 进一步深化 对光 束质量的 认识 以 及 统 一 标 准的 制 定 。 m， 因 子 与 其 他 质 量 因 子 相比 ， 仍 是 一 较为 完 善 、 合 理 的 光束质量评价标准。对于一个激光器来说，要提高其输出光束的质量，不但要 减少其模式数目 ，提高其相干性，还必须保证光束的波前畸变小，这一点在设 计高性能激光器时必须充分考虑。 第三章 几种常见的 光束整形元件 第三章 几种常见的光束整形元件 第一节 普通形透镜导管 这是一种新型的非成像光学元件。透镜导管的结构如图3 . 1 所示【m 。其输入 面为球面， 侧面和输出面均为平面。它靠球面的会聚和侧壁的全反射， 将入射的 光收集到其输出端面。对于快轴平面内的较大的发散角， 一般要用微柱透镜阵列 进行预压 缩， 微柱透镜一般可将快轴方向的大约4 0 0的发散角压缩至几度。 然后 利用透镜导管将预压缩后的抽运光祸合到激光棒中， 输出面为矩形， 有利于与激 光模式匹配。 图3 . 1 透镜导管示意图 一般认为， 透镜导管的长度应近似于球面曲 率所决定的焦距f = r x n ( n - 1 ) , 其中r 为球面的曲率半径， ” 为透镜导管材料的折射率， 使未经侧壁反射而由 球 面会聚直接到达端面的光束充分进入激光介质。 ，豁 t x . . , )犷 护十叭 ( n n 1 图3 . 2透镜导管主要参数 第三章 几种常见的光束整形元件 图3 . 2 是光线在透镜导管内的 传播示意图及导管的主要参数3 0 1 。文献3 0中 利用光线追迹的方法， 并通过计算机数值法处理， 计算了正负发散角间的光线轨 迹光线在透镜导管内的光路及分布情况如图3 . 3 1 0 . 一馨 脚 咦 .卜 心 .】 图3 . 3透镜导管内 部光线分布示意图 从图可以看出， 透镜导管内的不同 位置光线的分布不同。由此可以总结出对 透镜导管主要包括两种优化设计的方法。一种是把导管设计成光线经一次反射 输出 导管， 如图3 . 4 所示8 0 ) ， 另 一 种是 使光线在导管的出 射端面聚焦后再射出， 如图3 . 5 所示划 。 一 二 曝粼 . 八荟卜 . 弓 .， 图3 . 4一次反射形透镜导管内的 光线分布 :， 一协 一协加.协0月 0沙劝哪翻目 二 图3 . 5会聚形透镜导管内的光线分布 第三章 几种常见的光束整形元件 神“姗姗。. .，.一“.谧毖，月熨月1厄1 咖神栩如 一甲召卜1德泊j居j琶jl ( a ) 一7 a l 2， 月/为， ( b ) 图3 . 6会聚形透镜导管输出端面附近的 辐射密度相对分布 图 3 . 6表明了快轴平面内 ( a )和慢轴平面内 ( b )的光在端面附近是类高 斯分布。 虽然快轴平面内的 光分布不太理想13 0 1 ， 但总的来说， 利用透镜导管对半 导体激光器面阵进行祸合是今后获得大功率半导体抽运光的主要手段， 这种方 法能够使多束抽运光叠加成较均匀的抽运光， 且对抽运光有较高的祸合效率。 第二节 空心透镜导管 虽然利用透镜导管对半导体激光器面阵进行祸合是今后获得大功率半导体 抽运光的主要手段，但由 于实心透镜导管本身的一些缺点， 例如祸合效率较低， 最高只能达到8 0 % 左右， 而且出 射光线的发散角是很大的( 最大发散角接近9 0 0) 等等 ， 难以实现对激光介质的高效抽运。 所以，国内 有学者提出了一种改进型 的 透镜导管，即空心透镜导管13 11 文献3 1 中采用的空心透镜导管是由 一个表面镀有增透膜的 平凸 透镜和一个 内壁高光洁度抛光( 或内壁镀全反膜) 的空心导管组成。除了 祸合效率高的优点 以外， 空心导管可由单面高光洁度抛光的金属板( 或镀全反膜玻璃板) 拼装而成， 具有加工方便、易调整的 特点， 能够很好地适应不同 输入输出口 径的要求，其结 构和光线分布示意如图3 . 7 所示3 l 第三章 几种常见的光束整形 元件 加 日如脚 . 已 口 .山. dm a n 丽橄内. 图3 . 7空心透镜导管藕合系统 空心透镜导管主要在三个方面优于实心透镜导管: 1 )普通的透镜导管采用实心的高纯度玻璃材质来传输光线，所以当光线不 能满足区内反射条件时， 光线会逸出导管侧壁。 而空心透镜导管则依靠内壁镀 高反膜而使在管内传输的光线不会逸出。 2 )普通型透镜导管出射端会存在一个折射率的影响因素，而是出射光线或 者不能完全出射， 或造成发散角增大。而空心透镜导管则不存在这些问题。 3 ) 对于空心透镜导管， 当光线透过透镜后就在空气中传播， 从而减小损耗。 空心透镜导管实际是平凸透镜和空心导管的组合，并且导管的可变参数只 有空心导管的长度和平凸 透镜的焦距。通过一些己 报导的实验和模拟发现，对 于每一个空心导管的长度，都可以找到一个与之对应的 透镜焦距，能够实现系 统的最佳祸合。 经过大量模拟和数据分析后可以 得到以 下经验公式13 1 1 l qp . = c . f o g. 其中c 为经验常数，c e 0 . 7 6 , 0 . 7 7 1 , ( 3 . 1 ) 由这个经验公式，在设计过程中， 就可以 根据系统大小首先确定空心导管的长度l ， 然后由 这个规律迅速得到对应 的最佳透镜焦距，从而简化了整形祸合系统的设计。 第三节 空心导管 本节中介绍的 空心导管(32 ，其结构是一个空心的四棱台，内 表面镀高反膜， 它靠近侧壁的光反射将入射光传输到其输出端面， 如图3 . 8 所示im。 导管的材料 为玻璃或金属。加工时，先加工出四块规定尺寸的平板，每块板只有一个表面 第四章 几种特殊整形导管的介绍 第四章 几种特殊整形导管的介绍 第一节 改进的圆锥形光导管 目 前在文献中可以 查到的有关圆锥形光导管的介绍中存在一些缺陷，为解 释这些缺陷，我们有必要从有关圆锥导管的基础知识做一下相关介绍。 圆锥形光导管其实是一种圆锥体状的聚光镜。可制成空心和实心两种类形。 使用时将大端放在主光学系统的焦面附近集光束。并利用圆 锥形内 壁的高反 射 比特性，将光束引到小端输出。将探测器置于小端，接收集中后的光束。它是 一种非成像的聚光元件，与场镜类似可引起增加光照度或减小探测器面积的作 用。 下面以图4 . 1 所示的实心圆锥导管为例， 说明其传播特性。 光轴x - x 与导 管重合， 导 管 顶角为2 a， 光线进入导管前与光 轴的 夹角为fl ， 即 入 射角。 图4 . 1圆锥导管内部光线分布图 经折射后光线与光 轴夹角， 即 折射角为尸。 光线第一次 与圆 锥 壁相遇b 点， 入射角为5 ， 反射后光 线与光轴的 夹角为戏。 光线第二次与圆 锥壁相 遇与g 点， 对 应 于 角7z 八。 以 后 多 次 反 射 对 应的 角 分别 为: 4 几， 14 几二 ， 等 由a b e f 中可知 伍/ 2 一 “ ) + 伪/ 2 - f , ) + ( i r 1 2 - ,b ) = n ( 4 . 1 ) 第四章 几种特殊整形导管的介绍 本章小结 本章中介绍了两种新型整形元件，各自 都有不同的侧重点。改进型的圆锥 导管主要改善了圆锥导管的出射端，由尖状端出射面变成平面端出射，这样进 一步压缩了发散角。 但据实际测量发现，出光效率不是很高。哑铃形光导管的 整形方法还处在研究阶段。实验中，由被测样品的整形效果可以看出，这是制 作面光源的有效手段之一，比传统的利用点光源和柱体透镜制作面光源更有实 际应用价值。同时，哑铃形光导管还为有效地将多束激光束合成具有均匀光分 布一束光提供了可供参考的研究方案。 第五章 利用牛角形光导管制作点光源 第五章 利用牛角形光导管制作点光源 第一节 普通点光源的制作 所谓点光源， 就是当光源的几何线度比 观察点到光源的距离小得多时，则 此光源称为点光源。良 好性能的点光源是许多光学研究和实验教学所必需的。 例如，干涉法测量国划 、制作圆柱形面光源3 7 1 等等。传统的点光源制作方法一 般是用光通过带有线度很小的圆孔或狭缝的障碍物的方法得到的。但有时我们 不仅要求点光源的时空相干性好，还要有足够的强度，那么上述的方法就难以 满足实用的要求了。由于激光技术的飞速发展和激光器价格的降低，使激光的 优越性能得到了广泛应用。所以又有了利用凸透镜会聚激光束，并在其焦点处 得到性能较好的点光源的方法。 但通常激光束的直径较小 ( 几个m m ) 因而要在 透镜前方较远处才能得到较大范围的球面波光场， 往往很不方便。下面根据费 马原理和凹透镜的光发散性介绍了将平行光束变换成没有球差的理想近距离广 角球面渡的“ 虚” 点光源的两个方案图。 方案一 首先考虑平行光束由光密媒质进入光疏媒质的情况如图5 . 1 所示。 图5 . 1平行光束由 光密媒质进入光疏媒质 取直角坐标系，使旋转曲面的顶点位于坐标系原点 设曲线上任意点的坐标 为( x , y ) . 根据费 马原 理从y 轴到以 焦点f为圆 心的圆弧上的所有光线都应沿时 间为极值的路径传播.且每一条光线的光程都相等。因此有 第五章 利用牛角形光导管制作点光源 5 . 1化学镀银的基本方法 为 保证光线能有更小的传输损耗， 在实验前我们在样品 表面用化学方法镀 一层银膜。 化学镀银基本原理是利用还原剂将溶液中的银离子还原，再经粗化、敏化 的金属表面形成金属镀层。主要的化学式如下: a g n 0 3 十 n h , h , 0 = a g o h杏 + n h 4 n o , + k o h = a g o h杏 + k n o , ( 5 . 1 1 ) ( 5 . 1 2 ) a g o h+ 2 n h , h , 0 = a g ( n h , ) , o h+ 2 h z 0 ( 5 . 1 3 ) + 2 a g ( n h 3 ) z o h = 2 a g l + h c o o n h 4 + 3 n h 3 十 h , o ( 5 . 1 4 ) 稳定剂的作用是降低还原剂的分解能力和增强对银离子的整合能力。另外 为保持银层的光泽持久不变，镀银后表面应涂有覆有机抗变色剂。 主要的工艺流程包括: 化学除油斗水洗峥粗化斗水洗冲敏化咔化学镀银斗水洗一烘千 ( 1 )镀前处理主要包括化学除油、敏化和粗化。 化学除油溶液及条件:粗化溶液及条件:敏华溶液及条件: k o h 1 0 % - 2 0 % h f 1 体 积s n c iz 2 h , o 1 0 - 2 0 g / l 温度4 0 - 5 0 0 c r n q 3 体 积h c i 1 0 - 2 0 m 1 / l 时间3 - 5 m i n温度室温温度室温 时间3 - 5 m i n时间1 0 - 3 0 s ( 2 )化学镀银配方及工艺条件 化学镀银溶液有银盐、络和剂、还原剂、稳定剂组成。所用的还原剂有甲 醛、葡萄糖、 酒石酸盐等， 稳定剂为有机醇。 配方: a g n o 3 1 5 g / l n h 3 从o 2 0 m 1 / l k o h 1 5 9 / l q 拭2 风7 . 5 g / l 稳定剂适量 温度室温 第五章 利用牛角形光导管制作点光源 时间5 - 1 o m i n ( 3 )溶液配制方法 银液配制:称取计量的硝酸银，充分搅拌溶液溶解于蒸馏水中。缓慢加入 氨水至生成沉淀物，继续加入氨水至溶液透明， 加入计量的k o h固体至沉淀产 生，此时溶液变成黑色，在加入氨水至溶液透明为止。 还原剂配制:将计量的葡萄糖或甲醛加入蒸馏水中并加入稳定剂。使用时 将银液和还原液按容积2 : 1 混合均匀，即可将样品表面镀银。 5 .2实验部分 光线在牛角形光导管内的分布如图 5 . 6所示，经过推算， 这种结构造型的 光导管不会存在入射光线因在导管内多次反射后，由于反射角不满足全反射条 件而发生折返的现象。 图5 . 6牛角形光导管内光线示意图 为测量它的出射光分布情况，我们搭建了以下的测试平台: l m s 。 . ， 叮 图5 . 7实验测试系统示意图 第六章 总结与展望 第六章 总结与展望 本论文对于半导体激光束的整形作了 较为系统的 研究。主要讨论了半导体 激光器的发展历史，介绍了半导体激光器发出的激光束的优缺点以及在实际应 用中存在的一些需要解决的问题。 本论文中也讨论了几种目 前比较常见的光束整形元件，并对它们各自的理 论依据，设计方法，工作效率以及存在的优点与不足都做了归纳与总结。然后 在此基础上，文中主要提出了三种新形光束整形元件并分别做了相关的模拟和 实验测量，对各自 的优点与不足也做了分析。在这三种激光整形元件中，我们 着重提出了利用牛角形光导管制作高亮度的点光源的创新设计。我们也发现， 哑铃形光导管的结构和出光分布也是比较适合制作高亮度面光源的理想元件。 同时哑铃形光导管还为有效地将多束激光束合成具有均匀光分布一束光提供了 可供参考的研究方案。 当然，我们在对有关光束整形元件的研究中还存在一些需要进一步深入研 究和改进的地方。 ( 1 )对于改进的圆锥形光导管在完成模拟实验后，还需要进一步在实验室中 进 行样品的实际测量，只有这样才能发现在模拟实验中存在的不易被发现的实际 问题，从而更加完善对于元件的优化设计。 ( 2 ) 对于哑铃形光导管的 设计还处在初级阶段， 今后还要深入讨论在实际测量 中，当多束激光入射到导管时，不同的入射光夹角和入射光斑的距离等因素， 对于出射光强分布的影响。另外，还需要改善实验条件，以便继续研究出射光 束在距导管出射端大于1 5 m n 之后的光强分布情况. ( 3 ) 对于牛角形光导管制作高亮度点光源的相关理论的基础研究将是今后工作 的重点。这主要包括如何更加量化地设计光导管的外形参数，并使用相关软件， 如 z e m a x等进行模拟等工作，从而进一步优化牛角形光导管的 性能， 提高其作 为点光源的出光效率。 总的来说，对于各种半导体激光光束的整形和祸合设计还存在许多鱼待解 决的问题。不断地研制出调整方便，外形紧凑，祸合效率高，加工简单且成本 低廉的整形元件，是半导体激光器领域中发展和应用领域中的一项长期工作。 参考文献 参考文献 i 【 日 栖原敏明，半导体激光器基础科学出 版社.2 0 0 2 2 l凡 n . h al l , g . e . f e n n e r , j . d . k i n g s l e y , t . j . s o l t y s , 凡 o . c a r l s o n , c o h e r e n t l i g h t e m i s s i o n fr o m g a a s j u n c t i o n s , p h y s . r e v . l e f t . , 9 , 3 6 6 ( 1 9 6 2 ) 3 1 j . m. wo o d a l l e t al . , s o l i d s t a t e d e v i c e c o n f e r e n c e , j u n e 1 9 , ( 1 9 6 7 ) c a l i f o m i a , u . s . a 4 i . h a y a s h i , m . b . p a n is h , p . w. f o y , s . s u m s k l j u n c t i o n l a s e r s t h a t o p e r a t e c o n t i n u o u s l y a t r o o m t e m p e r a t u re , a p p l . p h y s . l e tt . , 1 7 , 1 0 9 ( 1 9 7 0 ) 5 n . h o l o n y a k j r . , 凡m . k o l b a s , 凡d . d u p u i s , p . d . d a p k u s , q u a n t u m - w e l l h e t e r o s t r u c t u r e l