3 Bar半导体激光器的光束整形系统研究

李世涛，田明，高雪峰，王菲，曹晨鸣

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

近几十年来，随着中国航空航天事业的迅猛发展，光固化壳体成型技术以其压倒性的优势已成为当今世界的主流技术，欧美等发达国家都已相继研制出大型的壳体铺放设备并已投入工业、国防等相关领域[1]。本次研究，采用一种全新的技术－激光固化壳体成型技术取代了传统的电加热式壳体成型技术，使成型效率更高、产品质量更高。

在激光固化成型技术中，激光光束的整形和准直技术是研究重点，激光光束所形成的光斑能否达到技术要求，直接影响着产品的质量和生产速率[2]。为此，本文对激光光束的整形和准直系统进行了设计和实验，以解决了激光加热固化壳体成型技术中的关键难题。

1 激光器的选择和参数

1.1 激光器的选择

通过对复合材料的熔点和激光器本身的优劣势等诸多分析[3]，最终选用3个bar条的半导体激光器，每个bar条的长度为1cm，宽度为10μm，最高功率可以达到500W。

1.2 参数要求

经过准直聚焦后快轴发散角小于光斑尺寸参数为：12～20mm×6～10mm；激光光束快轴发散角为4°～5°、慢轴发散角为3°～4°。

2 激光器整形和准直原理

由于半导体激光器光束的发散特点即快慢轴的发散角不同[4]，快轴可以达到40°而慢轴为10°到15°，所以造成出射的光束为能量分布不均匀的椭圆形光斑，因此主要对快轴（Y轴）和慢轴（X轴）进行准直[5]如图1所示。首先利用三个柱面镜分别对每个bar条的快轴进行准直，由于每个bar条都包含19个发光单元，所以再应用微柱面镜阵列分别对每个发光单元的慢轴进行准直，最后应用一片柱面镜对整形过的光斑进行会聚[6]。

图1 柱面镜快慢轴准直示意图

2.1 Y轴光束的准直原理

由于Y轴发散角较大，且涉及诸多问题，因此采用半圆柱型微透镜对Y轴光束进行整形[7]，其原理如图2所示。

图2 半圆柱透镜光路图

根据物理光学原理和几何关系可得：

为了达到准直光束的要求，可得到发散角α和出射角ϕ满足下列关系式：

在上述推导中，当折射率n、物距l，透镜厚度d已知的情况下可以求出曲率半径R和准直之后的出射角φ，利用上述公式推导得出：

通过公式可以看出使用半圆柱透镜进行准直可以达到很好的准直效果，可以有效地控制出射角的角度，但是如果想要进一步控制φ的角度则需要使用光学模拟软件ZEMAX做进一步仿真优化分析。

2.2 X轴光束准直原理

除了对Y轴较大的发散角进行准直外，还需要对X轴进行准直处理。由于半导体激光器X轴光束是单独存在的，故将透镜设计为阵列式，使每个小透镜与半导体激光器的发光单元一一对应[8]，其原理如图3所示。

图3 X轴准直原理

由微柱透镜的数值NA孔径的定义式：

当光线由空气射入微柱透镜时（n1为微柱透镜折射率，n2为空气折射率），数值孔径值NA为：

对于微柱透镜，其数值孔径半角的最大值为：

通过对公式（9）中微柱透镜数值孔径角的分析，可以根据要求制作出达到理想指标的微柱透镜，在将每个微柱透镜分别对应发光单元后，即可得到近似于平行的光束。当透镜折射率n1=1.51时应用微柱透镜阵列准直之后，慢轴的发散角度可由10°减小到3°～4°，从而提高光束质量。

3 激光器整形准直仿真

利用专业光学仿真分析软件ZEMAX对光束的整形和会聚过程进行仿真模拟，通过模拟仿真可以更加直观的看到光束能量密度的变化。半导体激光器整形前后光路如图4和图5所示。

图4 半导体激光器整形前光路图

图5 半导体激光器整形后的光路图

4 结论

通过观察图6到图11可以看出，经过整形准直后半导体激光器发出的激光光束能量分布更加均匀集中。通过观察图12和图13可以看到，经过准直后慢轴发散角为1.5°～3°左右、快轴发散角为4°～5°左右，达到了对激光光束发散角的参数要求标准。

图6 未准直前光斑灰度图

图7 准直后光斑灰度图

图8 会聚后光斑灰度图

图9 会聚后光斑灰度局部图

图10 准直后X方向能量分布图

图11 会聚后X方向能量分布图

图12 准直前后慢轴光束发散角变化

图13 准直前后快轴发散角变化