微型全固態綠光激光器的準直研究

張妹玉

（閩江學院 物理學與電子信息工程系，福建 福州 350108）

微型全固態綠光激光器的準直研究

張妹玉

（閩江學院 物理學與電子信息工程系，福建 福州 350108）

微型全固態綠色激光器以小體積、穩定性好、發光效率極高、較長的使用壽命等各種優點得到了廣泛應用。但是輸出的光束在遠距離傳輸時，光斑發散角嚴重變大，這就使其難以滿足實際測量和應用。因此，在激光光束輸出時應對其進行準直以縮小光斑半徑。在眾多準直方法中，透鏡組準直法對于低功率激光的準直效果最為明顯。文章設計了負鏡與正鏡結合的雙鏡系統對綠色激光進行準直，經過Zemax光學系統的仿真模擬結果表明，雙鏡系統將傳輸100m的激光光斑半徑壓縮至1.22mm，這種方法結構簡單且效果明顯，具有良好的實用性。

低功率；全固態；準直

自1960年第一臺紅寶石激光器出現至今已有57年，激光器件及激光技術已發展到相當高的水平，例如激光器輸出波長覆蓋了從x射線到毫米波波段，其中相當部分的激光器可連續調諧，脈沖輸出功率密度超過1019w/cm2，最短的激光脈沖達6×10-15s等等。大部分激光器件逐步系列化和商品化，使激光成功地滲透到近代科學技術的各個領域。激光器件的種類很多，包括固體、氣體、半導體、液體、化學、自由電子等。LD泵浦的全固態已激光光器具有光束質量好、體積小、壽命長及使用方便等優點。其中，半導體激光（LD）泵浦的0.532um綠色激光器具有波長短、光子能量高、在水中傳輸距離遠和人眼敏感等優點，在激光醫學、信息存儲、色彩打印、彩色投影電視、水下通信、光譜技術、激光技術、機場導航、探淺、海底形貌探測和激光武器等科學研究、國防建設和國民經濟的許多領域中有重要的應用，因而成為研究的重點。

激光光束的輸出質量與激光腔體結構有密切的關系，在文章中所使用的綠色微片激光器，由于腔長比較短，激光光束的高斯束腰小，光束的衍射導致光束發散比較大，其發散角大約為12mrad，大約在1m距離處光斑大小為1.2×10-2m，5m距離處光斑大小為6×10-2m。這樣出射激光光束不能保證是很好的平行光，在傳輸一定距離后光斑將發散得很大，不利于應用。為了保證文章中涉及的LD泵浦的全固態綠色激光器發射出來的激光能傳輸性能更優，使其接近平行光，需要考慮經過光學系統進行激光傳輸性能的改善。

1 準直的概念

激光光束是高斯光束具有一定的發散角，當光束傳播較遠距離時光斑變大，這不能滿足實際測量和應用的需要。因此，為了滿足實際測量和應用的要求，必須對激光光束進行準直。所謂的準直就是要求有很小的發散角或在一定的距離內光斑半徑小于額定值，這種波束變換技術叫做準直。目的是改善光束的方向性，即壓縮光束的發散角使高斯光束經準直后轉換為平行光束。但不同材料激光器的發散角度相差較大。文章中設計的LD甭浦的固體綠光激光器，腔長大約為10mm的量級，出射的綠色激光的發散角大約為12mrad。在沒準直時，傳播10m后得到的光斑大小約為0.12m，傳播100m后其光斑變為1.2m。

2 準直方法

高斯光束的準直方法簡單的有單透鏡準直和兩個凸透鏡系統的準直，以及凹透鏡和凸透鏡組的準直。實驗采用LD甭浦的固體激光器，腔長大約為10mm的量級，出射的綠色激光的發散角大約為12mrad。根據物方高斯光束腰斑與單透鏡焦距的關系：

其中f是透鏡的焦距，d是透鏡的半徑。而實際實驗要用的透鏡半徑大小至少要毫米量級，這樣才能保證能用夾子之內的工具來操控。又因為發散角θ單位mrad量級，由三角關系可知焦距f大概是米量級單位，這與文章設計的微型綠光激光器的尺寸要求不符合。基于以上因素的考慮，本設計不采用單透鏡來準直，而是采用雙透鏡的方法來準直，如兩個凸透鏡方法和凹透鏡與凸透鏡的組合方法來實現。同時考慮了球差因素，文章最終采用凹透鏡和凸透鏡的組合來實現準直。

3 準直設計

文章中的設計采用ZEMAX光學系統設計軟件，該軟件可以對所有光學系統進行設計、優化和分析等。未準直激光，發散角度為12mrad，發散角轉換成角度12mrad=（12×10-3×180）π=0.687°，物方數值孔徑NA=sin0.687=0.012。使用負鏡與正鏡所構成的雙鏡系統對激光準直，考慮了微型激光器的實際結構尺寸，透鏡的焦距、厚度和曲率半徑的大小與微型激光器的腔體結構尺寸相匹配。所以該系統滿足文章設計要求。

（1）第一透鏡——負鏡（擴束透鏡）。如表1所示，本設計中負鏡為雙凹透鏡，采用BK7材料，該玻璃的折射率為1.5168，該透鏡的中心厚度、曲率半徑、直徑分別為2mm、5mm、4mm。 由 此 算 出 透 鏡 的 焦 距 為 ：f=R/（n-1）=5mm/（1.5168-1）=9.675mm。

表1 凹透鏡的基本設計

（2）第二透鏡——正鏡。如表2所示，該正鏡是具有聚焦作用的平凸透鏡。其焦距等于16.8mm，采用BK7材料，該玻璃的折射率為1.5168，透鏡曲率半徑為8.68 mm，中心厚度為5mm，透鏡外徑為6mm。

表2 平凸透鏡的各參數設置

（3）結合雙凹透鏡和平凸透鏡的優點，組合成望遠鏡準直系統，先用雙凹透鏡對綠色激光束擴散，再用平凸透鏡對擴散的光束聚焦。

雙凹透鏡右側面到平凸透鏡左側的長度是兩透鏡之間的焦距。所以，平凸透鏡的焦距-凹透鏡的焦距=7.125mm。

如圖1所示，模擬的光斑圖中得出綠色激光在經過雙鏡系統準直后繼續傳輸100m，光斑大約比準直之前縮小了1000倍，變為1.22×103um。

圖1 雙鏡系統參數設置

4 結語

基于文章的微型固態激光器，為了能符合小型化的設計要求，采用凹透鏡和凸透鏡組的準直方法，能最大限度地消除球差。為了使經第二鏡變換以后的激光束得到最小的發散性，必須使入射激光束經第一鏡變換后束腰直徑具有最小的尺寸并位于第二鏡的前焦面上。這種形式結構準直效果最理想。

［1］王志超，馬曉輝.激光光速準直技術［J］儀器儀表用戶，2009，（3）.

［2］廖明星，王翔，簡偉明.基于雙焦距微透鏡的半導體激光束準直的研究［J］.激光與紅外，2016，21（3）:294-299.

［3］殷智勇，強希文，汪岳峰，等.基于像散曲面微透鏡的半導體激光準直研究［J］.激光技術，2015，21（4）:458-461.

張妹玉（1981-），女，博士，副教授，主要研究方向：半導體光電材料與器件。