激光器光束質(zhì)量測(cè)量技術(shù)研究

吳喬石

摘 要：由于半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在其應(yīng)用中需對(duì)其波束進(jìn)行整形，為了有利于大功率半導(dǎo)體激光器的推廣應(yīng)用，需準(zhǔn)確識(shí)別大功率半導(dǎo)體激光器的輸出分布特性。該文從M2因子、遠(yuǎn)端發(fā)散角，近端及遠(yuǎn)端的光強(qiáng)分布等方面對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)量技術(shù)研究，給出了相應(yīng)的測(cè)量方案和誤差分析。

關(guān)鍵詞：大功率半導(dǎo)體激光器；遠(yuǎn)端光強(qiáng)分布；光束質(zhì)量；發(fā)散角

中國(guó)分類號(hào)：TN284 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

目前在特種材料加工制造領(lǐng)域中大部分使用CO2激光器和YAG激光器，近十年來(lái)隨著對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器物理機(jī)制的研究以及半導(dǎo)體工藝的創(chuàng)新和應(yīng)用，特別是在新材料新技術(shù)合成應(yīng)用的突破，由于大功率半導(dǎo)體激光器具有較高的輸出功率和良好的光束質(zhì)量，使大功率半導(dǎo)體激光器在加工制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。激光加工技術(shù)是對(duì)材料進(jìn)行精準(zhǔn)加工，為此須對(duì)激光器光束質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量。

1 大功率半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量測(cè)量

該文從M2因子、遠(yuǎn)端發(fā)散角、近端及遠(yuǎn)端的光強(qiáng)分布等方面對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)量研究。

1.1 測(cè)量方案

圖1中的可調(diào)諧衰減器為德國(guó)Metrlux 的ML2300Polarlu，其作用是在光束分析CCD前進(jìn)行衰減。

圖1中的濾波片采用德國(guó)Metrlux的中性濾波片：

與CCD相機(jī)配套光束分析軟件為德國(guó) Metrlux 的ML1201 beamlux II advanced

ML2300 Polarlux的Maximum input power 選擇1 000 w/cm2；

Metrolux中性濾波片選擇02402-41025（700-1100）一套4片，其型號(hào)及技術(shù)

透光率為：10%，1%，0.1%，0.01%

ML37430-11200-1光束分析儀，重點(diǎn)技術(shù)指標(biāo)為：

（1）Wavelength range：320 nm～1100 nm。

（2） Resolution：1392×1040。

（3） Frame rate：50幀/秒。

系統(tǒng)選用的Metrolux ML1201 beamlux Ⅱ advanced系列軟件必須與光束CCD分析相機(jī)匹配。

1.2 注入電流與光束質(zhì)量的關(guān)系

利用透鏡變換法，測(cè)量激光器在不同工作電流下的質(zhì)量參數(shù)。通過(guò)高斯擬合，當(dāng)注入電流分別為800 mA、1 600 mA、2500 mA和5 000 mA時(shí)，M2因子的值分別為69、56、42、52；當(dāng)注入電流較小時(shí)，由于有源區(qū)較大，僅有邊緣部分激射，此時(shí)光束質(zhì)量較差，光斑呈現(xiàn)為環(huán)形；隨著電流的不斷增大，有源區(qū)電流密度也近似平均并全部激射，此時(shí)光斑為圓形對(duì)稱，當(dāng)再次增大電流時(shí)，有源區(qū)造成電流擁阻，因此造成光束質(zhì)量開(kāi)始變差。

1.3 出光口徑與光束質(zhì)量的關(guān)系

選用為100 mm、200 mm、300 mm和500 mm不同出光口徑的器件時(shí)，在同時(shí)注入電流為2 A下的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑強(qiáng)度分布。小口徑發(fā)射器件電流分布相對(duì)較均勻，有源區(qū)邊緣電流密度與中心電流密度相似，全部激射。閾值下，光束分布趨近于高斯模型，遠(yuǎn)場(chǎng)光束以中心軸為對(duì)稱均勻分布，中心處光強(qiáng)大，此時(shí)光束發(fā)散角較小，當(dāng)有源區(qū)直徑逐漸增加時(shí)，激光強(qiáng)度分布越發(fā)不均勻，其中注入載流子濃度較高的地方，激射也相對(duì)較高，光束分布不均勻，光束質(zhì)量隨著出光口徑的增大而變小。

2 大功率半導(dǎo)體激光器發(fā)散角測(cè)量

2.1 測(cè)量方案

測(cè)試系統(tǒng)由脈沖電機(jī)、光電探測(cè)器和計(jì)算機(jī)等組成。測(cè)試系統(tǒng)在一個(gè)相對(duì)平行的光學(xué)導(dǎo)軌上，探測(cè)器的狹縫可調(diào)節(jié)，根據(jù)光功率可調(diào)整其寬度；探測(cè)器底座裝在馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下豎直平面內(nèi)移動(dòng)，在測(cè)量開(kāi)始時(shí)完成CCD與光斑中心、（光強(qiáng)最大點(diǎn)處）的尋心和對(duì)心，進(jìn)而測(cè)得發(fā)散角數(shù)值；過(guò)去的測(cè)量方法往往根據(jù)器件的幾何外形進(jìn)行對(duì)心，通常難以保證找準(zhǔn)真正的光斑中心點(diǎn)。該文采用相對(duì)科學(xué)的尋心方法，具體為首先調(diào)節(jié)CCD的位置，調(diào)制到光斑平面內(nèi)，驅(qū)動(dòng)放置LD的脈沖電機(jī)在0～180°，使其能在夠水平范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)CCD對(duì)光斑X方向的直線進(jìn)行光強(qiáng)檢測(cè)。當(dāng)PD在X方向檢測(cè)后，計(jì)算機(jī)找出并記錄該直線上的光強(qiáng)最大值。由計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖電機(jī)回到檢測(cè)到的最大光強(qiáng)點(diǎn)處，該點(diǎn)應(yīng)為直線到光斑中心點(diǎn)距離最小處，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)使CCD沿過(guò)該點(diǎn)的垂線移動(dòng)，從而可進(jìn)行光強(qiáng)檢測(cè)。同理找到Y(jié)方向的最大光強(qiáng)點(diǎn)即為光斑中心。確定光斑中心后，由計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖電機(jī)從光斑中心向左右2個(gè)方向進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)，當(dāng)功率值降到一半處為光斑邊緣。

2.2 誤差分析

（1）脈沖電機(jī)的誤差影響激光器發(fā)散角，其誤差主要由脈沖電動(dòng)機(jī)的步距角誤差、失步誤差、起停誤差構(gòu)成。在這些影響誤差的因素中，很難減小隨機(jī)性誤差，一般只能通過(guò)全面提高脈沖電機(jī)各部分的精度、配合質(zhì)量、增強(qiáng)剛度、減少摩擦系數(shù)等來(lái)改善。

（2）可以使用誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ㄌ岣呔?，在脈沖電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝增量式光學(xué)碼盤(pán)，使脈沖電機(jī)形成閉環(huán)控制。

3 結(jié)論

該文從M2因子、遠(yuǎn)端發(fā)散角，近端及遠(yuǎn)端的光強(qiáng)分布等方面對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量進(jìn)行了分析研究，給出了相應(yīng)的測(cè)量方案及誤差分析。

除了固態(tài)激光器泵浦源以外，大功率半導(dǎo)體激光器也被直接使用于特種材料加工再制造領(lǐng)域中，其性能相較于傳統(tǒng)加工制造手段，在降低成本、提高產(chǎn)能、增強(qiáng)穩(wěn)定性等方面有顯著優(yōu)勢(shì)。未來(lái)，隨著基礎(chǔ)材料性能的提升，工藝的升級(jí)，大功率半導(dǎo)體激光器將會(huì)在材料加工領(lǐng)域中得到更廣泛、更深入的應(yīng)用。

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