激光光束整形的设计和研究3
LD激光束准直整形模块的研制
D evelopm en t of coll ima ting and shap ing m odule of LD la ser beam
ZHAN G X ian2liang1, YAN Gao 2sh i2
(1. N a tiona l In stitu te of M ea su rem en t and T esting T echno logy, Chengdu 610021, Ch ina; 2. Schoo l of O p toelectron ic Info rm a tion, U n iversity of E lectron ic Science and T echno logy of Ch ina, Chengdu 610054, Ch ina)
1
g+
Rn2
h
1- n R
(1 R
n) (g +
R
n2
h
+
1)
(3) 已知从A 点到 C 点的光线矢量变换为
y1
A 1 B 1 y0
=
(4)
Η1
C 1 D 1 Η0
出射高斯光束的束腰位于L 1 的焦点上时, 有:
y 0 = 0, Η1 = 0
(5)
根据折射面的近轴成像公式, L 1 焦距与 L 1 结
=
2Ξ0∥
A 3D 3- B 3C 3
A
2 3
Z
′20 +
B
2 3
1. 4 柱面透镜L 1 和L 2 的参数计算
(20)
1) 柱面透镜L 1 的曲率半径R
LD 激光器出射激光束经准直后, 子午方向的
激光光束整形技术
有一组满足上式的解，形式为： 其中d是两镜之间的距离， n是镜子的折射率， 是光迹函数。 正号代表伽利略式，负 号代表开普勒式。
上面的光束整形，主要是光强分布的变化，对于光斑形 状的变换相对简单。 对于我们扫描所需要的线状光束，可以通过使用两个柱 面镜实现：
如果要得到光强均匀分布的线状光束，需要使用非球面柱 面镜来实现，这需要将前面光强分布变换和光斑形状变换 两部分结合起来，具体解法需要时间看懂光束整形里的数 学。 光束整形器目前市场上已经有产品出售，是进口的，在 中国有代理，价格大约是3000欧元。
激光光束整形技术
南开大学
对于光纤、YAG、CO2激光器等，出射的（单模）激光截 面为圆形，光强分布为：
其中阴影部分的能量最多只能达到总能量的0.37。 对于半导体、准分子激光器，出射的激光为方形，多模 的方向认为光强分布均匀，垂直的单模方向的光强分布 为：
其中阴影部分的能量最多只能达到总能量的0.48。
这种方式可以做到没有能量的 损失。
第三种multi-aperture beam integrator， 整形装置由微透镜阵列和一个普通透镜 组成，微透镜阵列将入射光场分割为若 干子束，这些子束在经过普通透镜汇聚 后，在所需位置处再叠加起来，从而得 到均匀光束。
这种整形方式比较适用于空间相干性比较差 的多模激光，同样可以做到能量没有损失。
还有其它的一些方式可以做到 均匀出射，比如双折射透镜组， 双透镜+柱镜等。
Field mappers
考虑入射高斯光束为TEM00模，光强空间分布为
出射光束为平定光，有三种选择方式： 费米狄拉克函数： 超高斯函数： 平坦高斯函数：
上面三个函数取合适的 参数时都是阶跃函数的 很好的近似。
激光光束的整形技术_林勇
·综合评述·激光光束的整形技术林 勇,胡家升(大连理工大学电子与信息工程学院,大连 116024)提要:本文简要概括了激光光束整形技术的发展和研究现状。
就几种典型的光束整形技术,如非球面透镜组整形、微透镜阵列整形、衍射光学元件整形、双折射透镜组整形、液晶空间光调制器和圆锥镜等整形技术作了分类评述和讨论。
介绍了各种整形的技术特点和实现方法,指出了这些整形技术尚待解决的一些问题,并展望了它们的可能应用领域和发展前景。
关键词:光束整形;高斯光束;强度分布均匀化,长焦深中图分类号:TN248.1 文献标识码:A 文章编号:0253-2743(2008)06-0001-04Laser beam shaping techniquesLIN Yong ,HU Jia -sheng(S c hool of Electronics and Information Engineering ,D alian Univers ity of Technol ogy ,Dalian 116024,China )Abs tract :The development and the pres ent s tat us of laser beam s haping are summarized in this paper .Several t ypical techniques ,including the aspheric l ens -es ,the lenslet array ,the diffractive optical elements ,the birefringent l enses ,the liquid crystal spatial light modulator and the axicon ,are commentated .The characteristic and realization of each method is introduced ,existing proble ms in us e are dis cuss ed ,and pros pects are predicted .K ey words :beam shaping ;Gauss ian beam ;intensit y distri bution uniformization ;l ong focal depth收稿日期:2008-10-25作者简介:林勇(1976-),男,黑龙江七台河人,博士研宄生,主要从事衍射光学元件设计与应用方面的研究。
光束整形方式的原理和应用
光束整形方式的原理和应用光束整形（beam shaping）是通过改变光束的空间分布和/或光强分布来控制光束的形状和性质的技术。
在光束整形中，我们可以通过使用透镜、反射器、光波导等光学元件来改变光束的传播性质。
光束整形技术具有广泛的应用，包括激光加工、医学诊断、通信和光学成像等领域。
本文将介绍光束整形的原理和一些常见的应用。
光束整形的原理基于光学元件对入射光线的调控。
通过选择透镜的曲率和形状，可以将光束聚焦为点状、线状或是任意形状的分布。
透镜的曲率半径越小，聚焦效果越好。
透镜的不同曲率和形状还可以使光束具有不同的球差、色差和像差等特性。
反射器能够改变光线的方向，例如平面反射镜、曲面反射镜和光学棱镜等，可以将光束进行反射、折射和偏转。
光束整形技术中常用的一种方法是使用光波导，它能够将光束限制在一个特定的空间内，从而有效地改变光束的形状和传播特性。
光束整形技术在激光加工中具有重要的应用。
通过调整激光的光束形状和分布，可以实现对工件的精密加工。
例如，在激光切割领域，通过将光束整形为线状分布，可以获得更高的切割速度和更小的切割缝隙。
在激光焊接过程中，通过改变光束的分布和形状，可以实现对焊接接头的精确控制和调整焊接深度。
此外，在激光打标和激光雕刻中，光束整形技术可以通过调整光斑的形状和密度，实现对打标图案和刻印细节的控制。
光束整形技术也在医学领域中得到了广泛应用。
在激光治疗中，通过光束整形可以精确照射到患者体内的特定组织，从而实现对肿瘤和其他疾病的治疗。
光束整形技术还可以用于眼科手术中，例如激光角膜矫正手术中，通过调整激光的分布和形状，可以实现对角膜曲率的调整，从而改善近视、远视和散光等视力问题。
除了医学和激光加工领域，光束整形技术还在光学通信中得到了广泛应用。
在光纤通信中，光束整形可以用于精确定位和调整入射光束的聚焦效应，从而提高光纤的传输效率和数据传输速率。
光束整形技术还可以用于无线通信中，通过改变光束的形状和分布，可以实现对光信号的调制和解调，从而实现高速、稳定和精确的通信。
光束质量整形与质量诊断研究
光束质量整形与质量诊断研究作者：刘海勇许丽萍来源：《电子技术与软件工程》2015年第09期摘要几十年来激光光束质量的整形技术与质量评价方法不断丰富扩充，先进的技术和科学的方法为激光光束质量提供了更为有效的保障。
本文针对半导体激光器，总结论述了其光束质量整形与质量评价的方法和技术，旨在为相关工作提供参考借鉴。
【关键词】半导体激光器激光光束质量整形质量评价自上个世纪七十年代以来，半导体激光器被广泛应用于科研、工业等领域，具有轻巧、高效、稳定的优点，尤其是高功率半导体激光器的泵浦产生的光纤激光光束质量好、功率大，受到了越来越多的关注。
然而半导体激光器才存在内在的缺陷，限于其工作原理，产生的激光水平、垂直方向的光束质量存在很大差异，束腰位置不一致，平行于p-n结方向的慢轴方向光束质量差，这极大的制约了半导体激光器的应用，必须采取有效的整形技术解决这一问题，满足接收元件对光束质量的要求。
下文将详细介绍半导体激光器光束质量的整形与评价方法。
1 半导体激光器光束质量整形方法新世纪以来，为了更好的满足信息社会信息传输、处理、存储的需求，半导体激光器向高速宽带、大功率、短波长等方向发展，并已取得了一系列成果。
激光技术的应用中光束质量至关重要，无论是医学临床应用，还是军事应用、工业应用，都对光束质量要求较高，光束质量直接影响激光器性能的发挥，更影响到应用的水平和范围。
基于半导体激光器光束质量差、功率密度低的考虑，必须采油切实有效的整形技术来加以改善。
半导体激光器光束整形系统的关键在于慢轴光束质量的改善和快轴光束的准直，光束整形的基本原理是切割、旋转、重排光束，减小慢轴上的光参数积，来平衡快慢轴的光参数积，并借助微柱透镜等手段来调整快轴光束保证准直。
现今存在的整形技术种类繁多，下文将列举较为先进、常用的技术方法，分析其原理和特点。
1.1 光纤转换器技术光纤转换器是最为简单的一种光束整形技术，其技术原理是用光学阵列分割光束，光纤靠近半导体激光器的一端按线阵列另一端按束状排列。
激光雷达系统中的光束整形器设计与鲍威尔棱镜模拟方法的应用
激光雷达系统中的光束整形器设计与鲍威尔棱镜模拟方法的应用激光雷达系统在自动驾驶、无人机导航和测量领域中得到广泛应用。
光束整形器和鲍威尔棱镜模拟方法是激光雷达系统中的关键技术。
本文将重点探讨光束整形器设计和鲍威尔棱镜模拟方法在激光雷达系统中的应用。
光束整形器设计光束整形器是激光雷达系统中用于调整激光束形状和聚焦的装置。
光束整形器的设计对激光雷达系统的性能至关重要。
以下是一些常用的光束整形器设计方法：1. 透镜设计：使用透镜来调整激光束的形状和聚焦程度。
透镜的曲率和材料的选择会影响激光束的聚焦效果。
2. 反射镜设计：使用反射镜来改变激光束的传播方向和形状。
反射镜的几何形状和表面特性可以根据需要进行设计。
3. 光纤耦合技术：将激光束通过光纤耦合器输入到激光雷达系统中。
光纤的直径和折射率会影响激光束的传输效率和形状。
鲍威尔棱镜模拟方法的应用鲍威尔棱镜模拟方法是一种常用的激光雷达系统建模和仿真方法。
通过使用鲍威尔棱镜模拟方法，可以更好地理解和预测激光雷达系统的性能。
以下列举了一些鲍威尔棱镜模拟方法的应用：1. 系统性能评估：通过建立激光雷达系统的模型，可以评估系统在不同场景下的探测性能、定位精度和目标识别能力。
2. 算法优化：通过对激光雷达系统进行建模和仿真，可以对激光雷达数据处理算法进行优化和改进，提高系统的工作效率和准确性。
3. 比较分析：通过模拟不同类型的激光雷达系统，可以比较它们在不同场景下的性能差异，为选择合适的激光雷达系统提供参考依据。
通过光束整形器设计和鲍威尔棱镜模拟方法的应用，可以优化激光雷达系统的性能和功能，提高自动驾驶、无人机导航和测量等领域的应用效果。
以上是关于激光雷达系统中光束整形器设计和鲍威尔棱镜模拟方法应用的简要介绍。
这些技术的发展和研究将进一步推动激光雷达系统在各个领域的应用和创新。
大功率半导体激光器光束整形研究
《大功率半导体激光器光束整形研究》半导体激光器由于特殊的结构，造成远场发散角在快轴（垂直于PN结方向）方向和慢轴（平行于PN结方向）方向极不对称，也就是说半导体激光器的远场光场不是圆对称，通常可以表示为I(θx,θy)=I0e−2[(θxαx)2G x]+(θyαy)2G y（1）式中I0是光轴上的光强，αx是ｘ轴方向光强降为光轴光强I0的1/e2时的角度，αy是ｙ轴方向光强I0降为光轴光强的1/e2时的角度；G x、G y沿ｘ方向和沿ｙ方向的超高斯因子，如果是高斯光束，超高斯因子G x、G y为1，超高斯因子越大的激光光束，远场分布越均匀。
半导体激光器的发散角定义为峰值光强I0—半处的全角宽度θefhm，对于基模高斯光束有αx=√2ln(2)（2）半导体激光器快轴方向的发散角θ⊥可以表示为：θ⊥≈ 4.05(n2̅̅̅̅2−n1̅̅̅̅2)d/λ1+[4.05(n2̅̅̅̅2−n1̅̅̅̅2)/1.2](d/λ)2（3）其中λ是激光波长；n1̅̅̅是限制层折射率；d是有源区厚度；n2̅̅̅是激光器有源区折射率。
半导体激光器有源层很薄，只有1微米左右，即d很小，可以忽略，上公式可以改写为θ⊥≈4.05(n2̅̅̅̅2−n1̅̅̅̅2)dλ（3）由上式可知，θ⊥和d成正比，。
当有源区厚度与波长可比拟时，并且还工作在基横模时，可以忽略（2）中的1，而近似为：θ⊥≈1.2λd（4）该式说明有源区厚度在一定的范围内，横向光场具有良好的高斯光束特点。
在此范围内，θ⊥随d的增加而减小，符合光的衍射理论。
一般情况下，半导体激光器快轴方向远场分布为高斯分布，因此在模拟和设计中超高斯因子G x设定为1。
大功率半导体激光器的慢轴宽度W很宽，通常在百μm量级，其发散角θ∥较小，当慢轴方向宽度较小，激光在慢轴方向横模还处于基膜工作状态，此时平行于结平面的发散角可表示为：θ∥≈λW，当慢轴宽度W小于基模最小宽度时，激光器处于横向基膜工作状态，当W大于基膜最小宽度时，激光器处于横向多模工作状态；例如红光激光器基膜最小宽度一般在3μm左右，此时θ∥约为12.4°，当W小于这一宽度是，发散角随着W的变小而变大；当W 大于基模最小宽度时，可理解为激光器横模上有多个基模在工作，并重合在一起。
高功率半导体激光器光束整形的设计和实现
高功率半导体激光器光束整形的设计和实现吴政南;谢江容;杨雁南【摘要】为了使线阵半导体激光器光束能更好应用于激光远程无线电力传输,设计了基于光楔-曲面镜-棱镜组的线阵半导体激光束整形系统,采用数值计算方法,取得了系统中各元件的参量及理论整形效果.在此基础上加工出实物元件,搭建整形系统.实验中测得整形后的激光光斑尺寸为9.9cm×9.6cm,能量均匀度为68.9％,系统能量传输效率为71.3％,光束质量可满足接收端的光电池对激光空间均匀性的要求.最后分析了仿真系统与实验系统间产生差异的原因.结果表明,该系统可同时实现激光束阵列快轴和慢轴方向的扩束与准直,并能够调节输出光斑的形状及光强均匀度,且采用光学元件数量较少.光电池组件是激光无线电力传输过程的关键元件,该设计对激光转换效率的研究有较重要的实用价值.%In order to make the laser beam of linear-array semiconductor laser be better used in laser remote wireless power transmission,a linear-array semiconductor laser beam shaping system based on the set of optical wedges,curved mirrors and prisms was designed.The parameters of components in the system and the theoretical shaping results were derived by numerical calculation.After then the realistic components were processed and the experimental shaping system was built.The experimental results were that the laser spot size after shaping was 9.9cm×9.6cm,energy uniformity was 68.9％,and energy transfer efficiency was 71.3％.The beam quality could meet the requirement of light cell at receiving end for laser space uniformity.The reason of the difference between the simulated and experimental system was analyzed.The results show that the system can simultaneously realizethe expanding and collimation of laser beam array along fast axis and slow axis.The system can also adjust the shape and the uniformity of outputlight spot with less optical components.Light cell components are the key processes of laser wireless power transmission.The study has great practical value for laser conversion efficiency.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2017(041)003【总页数】5页(P416-420)【关键词】光学设计;光束整形;线阵半导体激光器;光楔-棱镜-曲面镜组【作者】吴政南;谢江容;杨雁南【作者单位】南京航空航天大学应用物理系,南京 211100;南京航空航天大学应用物理系,南京 211100;南京航空航天大学应用物理系,南京 211100【正文语种】中文【中图分类】TN202基于激光为能量传送载体的激光无线电力传输技术是近十几年来发展起来的一项高新技术。
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Abstract : In t his paper , a new shaping met hod used by a high efficiency , simple processing p hase lenses is presented. And a geomet rical t ransformation met hod to t ransform Gaussian laser beam into flat one is st udied. The simulated result s are given and analyzed. Keywords : Geomet rical t ransformation met hod Laser beam shaping DO E
把激光光束从高斯分布转换到均匀光强分布 ,这一激光光束的转换可以被认为是 Bryngdahl 提出的坐标 变换法的一种特殊形式 。在坐标变换法中 : 如果一个物函数与一个位相函数 < 相乘 , 然后被一个焦距为 f 的 透镜做傅里叶变换 , 这样将在傅里叶平面上得到一个类似于物函数的 、 但有些几何扭曲的强度分布函数 i ( u ,
1 引 言
在许多光学系统中需要均匀分布的激光相干光束 。最常用的方法是利用显微物镜将高斯光束扩束准直 后 ,提取其中心相对均匀的部分 。但这样光能浪费很大 ,其有用光能量可由 Pu = ( 1 - I b/ I m ) Pt 来表示 , 其中 Pu 为有用光能量 , I m 为中心能量 , I b 为边缘能量 ,这也就是说 5 %的不均匀度只用了总能量的 5 % 。 为得到合适的转换也可采用反高斯分布的吸收过滤器 。这种过滤器是用吸收玻璃制成的平凸透镜 ,但这 种透镜只能得到利用效率为 37 形的目的 ,但是这些元件都有很难加工的非球面 。 上述的这些方法 ,有的利用率不高 、 有的对加工要求很高 ,文中提出了一种加工工艺成熟 、 利用率高 、 实现 过程简单的位相透镜进行光束整形 。采用几何变换方法进行激光高斯光束平化的研究和设计 。
3 本课题受国家高技术 863 项目资助 1998204217 收稿
作者简介 : 赵为党 男 25 岁 硕士 主要从事二元光学及微光学器件制作技术方面 的研究工作 。
・30 ・
红外与激光工程 第 28 卷第 1 期
2 理论设计
( 3) ( 2)
有了这一限制之后 ,不可能进行任意的坐标变换来得到任意的波形 , 因为这在物理上是有可能实现不了 的 。考虑将波形转换为所给出的图形问题 ,假设输入波形为 i ( x ) , 输出波形为 o ( x ) 。根据能量相等 ,得到 :
I ( x) = i ( s) d s = o ( s) d s = O ( u) ∫ ∫
2 0 2 0 0
x
u =
∫I exp ( - 2 s / y ) d s v I exp ( - 2 s / y ) d s = ∫ v
y
y0
0
0
2
2 0
0
0
2
2 0
0
( 5)
这样 ,可以得出 u 、 v 与 x、 y 对应的等式 :
2 u0 erf ( 2 ) x 0 exp ( - 2 s / x ) d s = erf ( 2 x / x ) ∫ erf ( 2 )
第 28 卷第 1 期 红外与激光工程 1999 年 2 月 Vol. 28 No . 1 Infrared and Laser Engineering Feb. 1999
激光光束整形的设计和研究 3
赵为党 杨李茗 虞淑环 杨国光
( 浙江大学现代光学仪器国家重点实验室 杭州 310027)
文摘 : 提出了一种加工工艺成熟 、 利用率高 、 实现过程简单的位相透镜光束整形方法 。采用几 何变换方法进行激光高斯光束平化的研究和设计 ,给出了模拟设计结果并作了简要分析 。 关键词 : 几何变换方法 光束整形 衍射光学器件
0 0
x u
( 4)
上式将 u 定义 x 的函数 。 对于高斯光束整形的情况 ,将高斯函数代入上式 ( 其中设 x 0 点对应 u 0 点) ,得到 :
I exp ( - 2 s / x ) d s ∫ ds = u
0 0 2 2 0
x0
I exp ( - 2 s / ∫
0 0 2
x
2 x 0)
u0
Design and analysis of laser beam shaping
Zhao Weidang Yang Liming Yu Shuhuan Yang Guoguang
( State Key Laboratory of Modern Optical Instrument , Hangzhou , China , 310027)
v ) 。这一扭曲可认为是一个坐标变换 ( x , y ) →( u , v ) 。运用这一固定位相的方法 , 在 λ → 0 的近似下可以得
到: 5< 2πu 5 < 2πv = , = λ λ 5x f 5y f
( 1)
将傅里叶变换透镜加入到位相表达式中 ,或者等效地考虑夫朗和费衍射公式 ( 文中考虑的正是衍射时的情况) , 这一位相器件引出的坐标变换可以说明满足下面这一修改过的公式 : 5< 2π 5 < 2π( ( u - x ) , = = v - y) 5 x λZ 5 y λZ 式中 Z — — — 输入和输出平面之间的距离 。 波长趋向极小的假设是几何光学的一个基本假设 ,而且这些等式与由光线追踪所推出的等式是一致的 。 假设是二维可分离的 ,公式 ( 2) 必须同时满足下式的要求 : 5u 5v = 5y 5x