張妹玉

（閩江學(xué)院 物理學(xué)與電子信息工程系，福建 福州 350108）

微型全固態(tài)綠光激光器的準(zhǔn)直研究

張妹玉

（閩江學(xué)院 物理學(xué)與電子信息工程系，福建 福州 350108）

微型全固態(tài)綠色激光器以小體積、穩(wěn)定性好、發(fā)光效率極高、較長(zhǎng)的使用壽命等各種優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。但是輸出的光束在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，光斑發(fā)散角嚴(yán)重變大，這就使其難以滿足實(shí)際測(cè)量和應(yīng)用。因此，在激光光束輸出時(shí)應(yīng)對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)直以縮小光斑半徑。在眾多準(zhǔn)直方法中，透鏡組準(zhǔn)直法對(duì)于低功率激光的準(zhǔn)直效果最為明顯。文章設(shè)計(jì)了負(fù)鏡與正鏡結(jié)合的雙鏡系統(tǒng)對(duì)綠色激光進(jìn)行準(zhǔn)直，經(jīng)過(guò)Zemax光學(xué)系統(tǒng)的仿真模擬結(jié)果表明，雙鏡系統(tǒng)將傳輸100m的激光光斑半徑壓縮至1.22mm，這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且效果明顯，具有良好的實(shí)用性。

低功率；全固態(tài)；準(zhǔn)直

自1960年第一臺(tái)紅寶石激光器出現(xiàn)至今已有57年，激光器件及激光技術(shù)已發(fā)展到相當(dāng)高的水平，例如激光器輸出波長(zhǎng)覆蓋了從x射線到毫米波波段，其中相當(dāng)部分的激光器可連續(xù)調(diào)諧，脈沖輸出功率密度超過(guò)1019w/cm2，最短的激光脈沖達(dá)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(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域。激光器件的種類(lèi)很多，包括固體、氣體、半導(dǎo)體、液體、化學(xué)、自由電子等。LD泵浦的全固態(tài)已激光光器具有光束質(zhì)量好、體積小、壽命長(zhǎng)及使用方便等優(yōu)點(diǎn)。其中，半導(dǎo)體激光（LD）泵浦的0.532um綠色激光器具有波長(zhǎng)短、光子能量高、在水中傳輸距離遠(yuǎn)和人眼敏感等優(yōu)點(diǎn)，在激光醫(yī)學(xué)、信息存儲(chǔ)、色彩打印、彩色投影電視、水下通信、光譜技術(shù)、激光技術(shù)、機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航、探淺、海底形貌探測(cè)和激光武器等科學(xué)研究、國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域中有重要的應(yīng)用，因而成為研究的重點(diǎn)。

激光光束的輸出質(zhì)量與激光腔體結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系，在文章中所使用的綠色微片激光器，由于腔長(zhǎng)比較短，激光光束的高斯束腰小，光束的衍射導(dǎo)致光束發(fā)散比較大，其發(fā)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(fā)散得很大，不利于應(yīng)用。為了保證文章中涉及的LD泵浦的全固態(tài)綠色激光器發(fā)射出來(lái)的激光能傳輸性能更優(yōu)，使其接近平行光，需要考慮經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行激光傳輸性能的改善。

1 準(zhǔn)直的概念

激光光束是高斯光束具有一定的發(fā)散角，當(dāng)光束傳播較遠(yuǎn)距離時(shí)光斑變大，這不能滿足實(shí)際測(cè)量和應(yīng)用的需要。因此，為了滿足實(shí)際測(cè)量和應(yīng)用的要求，必須對(duì)激光光束進(jìn)行準(zhǔn)直。所謂的準(zhǔn)直就是要求有很小的發(fā)散角或在一定的距離內(nèi)光斑半徑小于額定值，這種波束變換技術(shù)叫做準(zhǔn)直。目的是改善光束的方向性，即壓縮光束的發(fā)散角使高斯光束經(jīng)準(zhǔn)直后轉(zhuǎn)換為平行光束。但不同材料激光器的發(fā)散角度相差較大。文章中設(shè)計(jì)的LD甭浦的固體綠光激光器，腔長(zhǎng)大約為10mm的量級(jí)，出射的綠色激光的發(fā)散角大約為12mrad。在沒(méi)準(zhǔn)直時(shí)，傳播10m后得到的光斑大小約為0.12m，傳播100m后其光斑變?yōu)?.2m。

2 準(zhǔn)直方法

高斯光束的準(zhǔn)直方法簡(jiǎn)單的有單透鏡準(zhǔn)直和兩個(gè)凸透鏡系統(tǒng)的準(zhǔn)直，以及凹透鏡和凸透鏡組的準(zhǔn)直。實(shí)驗(yàn)采用LD甭浦的固體激光器，腔長(zhǎng)大約為10mm的量級(jí)，出射的綠色激光的發(fā)散角大約為12mrad。根據(jù)物方高斯光束腰斑與單透鏡焦距的關(guān)系：

其中f是透鏡的焦距，d是透鏡的半徑。而實(shí)際實(shí)驗(yàn)要用的透鏡半徑大小至少要毫米量級(jí)，這樣才能保證能用夾子之內(nèi)的工具來(lái)操控。又因?yàn)榘l(fā)散角θ單位mrad量級(jí)，由三角關(guān)系可知焦距f大概是米量級(jí)單位，這與文章設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)不采用單透鏡來(lái)準(zhǔn)直，而是采用雙透鏡的方法來(lái)準(zhǔn)直，如兩個(gè)凸透鏡方法和凹透鏡與凸透鏡的組合方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)考慮了球差因素，文章最終采用凹透鏡和凸透鏡的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直。

3 準(zhǔn)直設(shè)計(jì)

文章中的設(shè)計(jì)采用ZEMAX光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，該軟件可以對(duì)所有光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化和分析等。未準(zhǔn)直激光，發(fā)散角度為12mrad，發(fā)散角轉(zhuǎn)換成角度12mrad=（12×10-3×180）π=0.687°，物方數(shù)值孔徑NA=sin0.687=0.012。使用負(fù)鏡與正鏡所構(gòu)成的雙鏡系統(tǒng)對(duì)激光準(zhǔn)直，考慮了微型激光器的實(shí)際結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)尺寸相匹配。所以該系統(tǒng)滿足文章設(shè)計(jì)要求。

（1）第一透鏡——負(fù)鏡（擴(kuò)束透鏡）。如表1所示，本設(shè)計(jì)中負(fù)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(shè)計(jì)

（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(shù)設(shè)置

（3）結(jié)合雙凹透鏡和平凸透鏡的優(yōu)點(diǎn)，組合成望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直系統(tǒng)，先用雙凹透鏡對(duì)綠色激光束擴(kuò)散，再用平凸透鏡對(duì)擴(kuò)散的光束聚焦。

雙凹透鏡右側(cè)面到平凸透鏡左側(cè)的長(zhǎng)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(jīng)過(guò)雙鏡系統(tǒng)準(zhǔn)直后繼續(xù)傳輸100m，光斑大約比準(zhǔn)直之前縮小了1000倍，變?yōu)?.22×103um。

圖1 雙鏡系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

4 結(jié)語(yǔ)

基于文章的微型固態(tài)激光器，為了能符合小型化的設(shè)計(jì)要求，采用凹透鏡和凸透鏡組的準(zhǔn)直方法，能最大限度地消除球差。為了使經(jīng)第二鏡變換以后的激光束得到最小的發(fā)散性，必須使入射激光束經(jīng)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(jié)構(gòu)準(zhǔn)直效果最理想。

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

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

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

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