3 Bar半導體激光器的光束整形系統研究

李世濤，田明，高雪峰，王菲，曹晨鳴

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

近幾十年來，隨著中國航空航天事業的迅猛發展，光固化殼體成型技術以其壓倒性的優勢已成為當今世界的主流技術，歐美等發達國家都已相繼研制出大型的殼體鋪放設備并已投入工業、國防等相關領域[1]。本次研究，采用一種全新的技術－激光固化殼體成型技術取代了傳統的電加熱式殼體成型技術，使成型效率更高、產品質量更高。

在激光固化成型技術中，激光光束的整形和準直技術是研究重點，激光光束所形成的光斑能否達到技術要求，直接影響著產品的質量和生產速率[2]。為此，本文對激光光束的整形和準直系統進行了設計和實驗，以解決了激光加熱固化殼體成型技術中的關鍵難題。

1 激光器的選擇和參數

1.1 激光器的選擇

通過對復合材料的熔點和激光器本身的優劣勢等諸多分析[3]，最終選用3個bar條的半導體激光器，每個bar條的長度為1cm，寬度為10μm，最高功率可以達到500W。

1.2 參數要求

經過準直聚焦后快軸發散角小于光斑尺寸參數為：12～20mm×6～10mm；激光光束快軸發散角為4°～5°、慢軸發散角為3°～4°。

2 激光器整形和準直原理

由于半導體激光器光束的發散特點即快慢軸的發散角不同[4]，快軸可以達到40°而慢軸為10°到15°，所以造成出射的光束為能量分布不均勻的橢圓形光斑，因此主要對快軸（Y軸）和慢軸（X軸）進行準直[5]如圖1所示。首先利用三個柱面鏡分別對每個bar條的快軸進行準直，由于每個bar條都包含19個發光單元，所以再應用微柱面鏡陣列分別對每個發光單元的慢軸進行準直，最后應用一片柱面鏡對整形過的光斑進行會聚[6]。

圖1 柱面鏡快慢軸準直示意圖

2.1 Y軸光束的準直原理

由于Y軸發散角較大，且涉及諸多問題，因此采用半圓柱型微透鏡對Y軸光束進行整形[7]，其原理如圖2所示。

圖2 半圓柱透鏡光路圖

根據物理光學原理和幾何關系可得：

為了達到準直光束的要求，可得到發散角α和出射角?滿足下列關系式：

在上述推導中，當折射率n、物距l，透鏡厚度d已知的情況下可以求出曲率半徑R和準直之后的出射角φ，利用上述公式推導得出：

通過公式可以看出使用半圓柱透鏡進行準直可以達到很好的準直效果，可以有效地控制出射角的角度，但是如果想要進一步控制φ的角度則需要使用光學模擬軟件ZEMAX做進一步仿真優化分析。

2.2 X軸光束準直原理

除了對Y軸較大的發散角進行準直外，還需要對X軸進行準直處理。由于半導體激光器X軸光束是單獨存在的，故將透鏡設計為陣列式，使每個小透鏡與半導體激光器的發光單元一一對應[8]，其原理如圖3所示。

圖3 X軸準直原理

由微柱透鏡的數值NA孔徑的定義式：

當光線由空氣射入微柱透鏡時（n1為微柱透鏡折射率，n2為空氣折射率），數值孔徑值NA為：

對于微柱透鏡，其數值孔徑半角的最大值為：

通過對公式（9）中微柱透鏡數值孔徑角的分析，可以根據要求制作出達到理想指標的微柱透鏡，在將每個微柱透鏡分別對應發光單元后，即可得到近似于平行的光束。當透鏡折射率n1=1.51時應用微柱透鏡陣列準直之后，慢軸的發散角度可由10°減小到3°～4°，從而提高光束質量。

3 激光器整形準直仿真

利用專業光學仿真分析軟件ZEMAX對光束的整形和會聚過程進行仿真模擬，通過模擬仿真可以更加直觀的看到光束能量密度的變化。半導體激光器整形前后光路如圖4和圖5所示。

圖4 半導體激光器整形前光路圖

圖5 半導體激光器整形后的光路圖

4 結論

通過觀察圖6到圖11可以看出，經過整形準直后半導體激光器發出的激光光束能量分布更加均勻集中。通過觀察圖12和圖13可以看到，經過準直后慢軸發散角為1.5°～3°左右、快軸發散角為4°～5°左右，達到了對激光光束發散角的參數要求標準。

圖6 未準直前光斑灰度圖

圖7 準直后光斑灰度圖

圖8 會聚后光斑灰度圖

圖9 會聚后光斑灰度局部圖

圖10 準直后X方向能量分布圖

圖11 會聚后X方向能量分布圖

圖12 準直前后慢軸光束發散角變化

圖13 準直前后快軸發散角變化