高功率激光应用场合的高性能光束整形

hx0999 · 发表于 2007-6-21 23:01:48

作者：O. Homburg、D. Hauschild、F. Kubacki、V. Lissotschenko, LIMO公司

关键词：光束整形，微透镜阵列，均一性，效率，激光

1. 引言
无论是工业应用还是科学研究，高功率或低功率，从深紫外到近红外光谱区域，激光都是一种低成本高效益的可靠工具。现有的大部分产品均使用由其谐振腔定义了光学特性的激光光束。单模激光器（如：用在DVD中作为拾取头的半导体激光器，广泛用于金属制品行业的He-Ne激光器和CO2激光器）光束的强度一般为高斯分布。其他类型的高功率激光器（如：Nd-YAG准分子激光器和高功率二极管激光器）由于工作在多种模式下，输出光束并非纯粹的高斯分布。然而，在很多材料处理应用中（如：热处理、熔焊、低温焊、印刷和微加工领域），均匀（高帽状）分布的方形、矩形和带状光场实属必须。此外，在显示照明应用中，具有特殊形状的均匀光场分布往往带来应用上的优势甚或成为此类应用必不可少的条件之一。

为了获得更大的视场，对整个视觉覆盖区域，包括其边缘部分进行统一照射显得尤为必要。此外，均匀照明提高了系统的对比度和分辨率。在使用脉冲激光器扫描的应用中，如果将光源相邻放置，由于光束截面为矩形，加上均匀分布的强度，扫描速度将显著提高。无论是在单模还是多模的激光器应用场合，这些自由形态的折射微透镜系统均用于塑造最佳形状的激光束。任何种类的激光器，诸如气体、固体和（高功率）半导体激光器，它们的光束剖面形状均能调整。
可根据光源的不同而相应采用相移法和叠加法进行整形。

图1.通过相移元件在远场将高斯分布转换为“高帽”式分布的原理。

光整形器件可预先调整后置于紧凑坚固的模块中，为便于在应用中集成，模块表面经过了特殊处理。在对光束形状有特定要求的应用场合，内嵌有光学部件的高功率二极管激光系统提供了完全的解决方案。所有的光学、机械工程均在恶劣的测试环境和条件下进行，特别是针对温度升高的情况，系统可完全采用金属连接的架构而确保不使用任何粘合剂。

kaka · 发表于 2008-9-11 09:02:42

Sell MDT Element for Beam Shaping.

guanchuchu · 发表于 2008-9-11 00:27:34

我现在将图片发给大家，共同学习进步

再也不能这样 · 发表于 2008-8-8 17:46:32

hx0999，非常感谢！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！1
要是能提供原文就更好了。。。

[ 本帖最后由再也不能这样于 2008-8-8 18:27 编辑 ]

cosinezheng · 发表于 2007-6-22 20:51:57

翻译的不错，顶一下。要是把图贴出来更好

hx0999 · 发表于 2007-6-21 23:02:30

3. 应用
对因为安全与防范需要而必须考虑均匀光场的应用场合，有多种照射方式可供选择。一些诸如此类的应用有：测量，带近红外光的夜视系统，车辆辅助系统和光谱分析。此外，线形发生光学元件可用在高功率激光器的长带状照射应用中，如地形测量，基于线阵相机的物体探测，以及在图森的Arete协会所采用的LIDAR技术。

3.1 光束整形系统
由于设计和建构一套光学光束整形系统对光学元件和机械安装技术的专业性和精确性要求很高，因此只有光学专业人员可提供此项技术。也因此，LIMO开发了包含预先调校好的成套光学器件的光整形模块。这些光整形系统均集合了优异的光学表现和在应用中易于处理、整合的优势。特别考虑到工业建设中简易的使用环境和条件，仅需将模块置于准直输入光束的光场中，既可在目标距离处得到所需的强度分布（见图 6）。因此对使用者来说，无需任何调校操作。根据工作距离的不同，可获得线度从微米到千米，多于九个亮度等级的均匀光场或光带。目标距离也可控制在从100微米到数千米范围内。光带的宽高比，可限制在1:1到1:5000的范围之内。

图6.光整形模块将准直输入光转换为均匀的方形光场（示意）。

图 7 所示为该模块的实物照片。此外，该图还展示了一可选的光纤耦合模块，用于准直来自光纤耦合激光器的发散光束，在操作光纤耦合激光器时，可作为对基本光束整形模块的补充。
图 8 所示为一客户可订制的Nd-YAG固体激光器（1064nm）用光整形模块。其所产生的光场分布如图 9 所示。

3.2 用作“高帽”或带状分布发生器的高功率二极管激光器
LIMO不但提供光束整形系统，还包括为客户定制指定光强分布的全套高功率二极管激光器。集合了被动冷却的激光条和折射微光学器件，此类激光器具有模式化的设置。无论是光纤耦合类设备还是自由光束类设备均可采用。在此我们仅限于讨论被广泛用于照射应用的自由光束激光器。模式化设置允许的输出功率从1瓦到数千瓦，相应的功率密度高达1兆瓦/平方厘米。而波长从400纳米到2微米任意可选。

图7.基本光束整形模块和可选光纤耦合模块。

通过内嵌于模块内的微光学器件带来的高整形效率，不但可将工作电流降至相对较低的水平，还可提升使用寿命至2万多小时。此外，较低的工作电流意味着较少的热负荷。因此，对激光器的冷却系统的要求可以相对较低。设计中没有采用微通道技术，使得激光模块可在相对简易的环境条件下工作，也就是说无须使用去离子水就可操作。所有激光器发光条均通过两种不同的制冷方式来被动冷却，即: 采用热电元件的珀尔帖电冷和使用自来水的水冷系统。所有的二极管激光器均可额外装配一部全息光栅用以稳定波长。由于该类系统带宽较窄，因此对拉曼光谱研究很有帮助。微光学的此类应用使得产生诸如点状、环状、带状、方形和矩形的光场成为可能，并且可使高功率激光器在某个工作距离内对指定的光场进行均匀照射。带状光束的长度可从微米到数米量级，而带宽在几个微米至毫米之间。下面将给出几个不同的带状光束发生器的实例，以便我们更好地理解在材料处理、照射和度量应用中的二极管激光器的本领。在铁轨的悬链线检查中采用了一个25瓦的带状光束激光器（见图10）。通过长度超过15米而带高只有5毫米的长带状激光光束照射悬链线。检查区域的几何要求需要宽高比达1:3000的带状激光光束。

图8. 客户可订制的Nd-YAG激光器用光整形模块。

35W的二极管激光器已用于对塑料材料的精加工。带状照射光束尺寸为32 mm。图 11（左）展示了光带的光强分布。特殊的快轴准直透镜和微光学均光器的结合带来了高达6%的均匀度和出色的陡度。在光带的垂直方向上存在一高斯型的光强分布（见图11右）。因而，该光带可很好地在这个方向上用于扫描式照射。
在某些应用中，需要在两个轴上都具备均匀光场。图 12 所示为一270W激光器在一35mm区域的照射。此种坚固的激光器可同时在水平垂直两个方向上获得优于7%的均匀度。较高的输出功率允许扫描式照射和探测以很快的速度进行。

图12. 270W输出功率的二极管激光器（此模块的输出光束尺寸为35mm）。

图13 所示为一34W激光器的光强分布，形状为一宽度仅为50祄的细小光带。光带长度为19mm的光束已优化，并用于照射GLV调制器。整条光带上光强的均匀度优于7%，平直度优于15微米。得益于模式化设置，激光器的功率可分级度量直到千瓦以上量级。图14所示为一功率为8千瓦的易于维护的带状光束激光发生器。将多个诸如此类的可更换的二极管子模块组装到一个基盘上，即可组成一套完整的kW级的带状光束发生器。将所有子模块的光束叠加起来的光学元件也被集成在了基盘中（图中未示出）。如果其中某个子模块因寿命减损而损失功率，由于无需对任何光学元件重新作调整，更换新件将变得简便易行。此例中，光带的尺寸为700mm。

参考文献
1. D.M. Brown, F.M. Dickey, L.S. Weichmann, Multi-aperture Beam Integration Systems, in F.M. Dickey, S.C.
Holswade (ed) Laser Beam Shaping, Theory and Techniques, pp. 273-311, Marcel Dekker, 2000.

高功率激光应用场合的高性能光束整形

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