本發(fā)明屬于光束整形技術(shù)，更具體地，涉及一種基于光波導(dǎo)的激光光束整形系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
1、半導(dǎo)體激光器在現(xiàn)代科技領(lǐng)域扮演著至關(guān)重要的角色，具有體積小、重量輕、電光轉(zhuǎn)換效率高、可靠性高和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍事、通信、醫(yī)療和材料加工等領(lǐng)域。
2、半導(dǎo)體激光器在光束質(zhì)量方面存在一定的缺陷，主要表現(xiàn)為快軸和慢軸方向的發(fā)散角較大，遠(yuǎn)場(chǎng)分布不對(duì)稱等缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用之前，需要通過(guò)光束整形技術(shù)來(lái)改善這些光束特性，使其光束質(zhì)量和傳輸特性滿足應(yīng)用要求。
3、針對(duì)半導(dǎo)體激光器輸出光束在快軸和慢軸方向上光束質(zhì)量差異的問(wèn)題，可以采取光束整形技術(shù)來(lái)優(yōu)化光束特性。通過(guò)光學(xué)元件將激光束耦合到圓形光纖中是一種常見(jiàn)且有效的解決方法，通過(guò)準(zhǔn)直和聚焦處理，可以將激光束有效耦合到光纖中。光纖是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其各方向接受光的能力是一致的，但是耦合進(jìn)入光纖的光束通常為矩形光斑，其快軸和慢軸方向的光束參數(shù)積(bpp)差異較大，在光纖耦合處快軸方向的光束寬度遠(yuǎn)小于慢軸方向的光束寬度。這種矩形光斑與光纖的圓形空間不匹配的問(wèn)題導(dǎo)致光纖輸入端的空間利用率較低，大量的角度和空間資源被浪費(fèi)，顯著降低了光纖輸出光束的亮度。為了減小光纖亮度的損耗，通常采用多個(gè)單管半導(dǎo)體激光器在快軸方向上進(jìn)行堆疊，以增大快軸方向的光束參數(shù)積，從而填充光纖輸入端的空間，實(shí)現(xiàn)功率提升和亮度提高。但是快軸堆疊技術(shù)對(duì)精準(zhǔn)度要求很高，導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)雜性和調(diào)整難度顯著增加，不利于實(shí)際應(yīng)用中的成本控制和可靠性提升。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，提供了一種用于半導(dǎo)體激光器的光束整形系統(tǒng)及方法，將半導(dǎo)體激光器輸出光束經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直后，耦合進(jìn)入一個(gè)輸入端面為矩形、輸出端面為圓形的光波導(dǎo)中。半導(dǎo)體激光器的輸出光束能夠有效填充光波導(dǎo)的矩形輸入端，進(jìn)入光波導(dǎo)的激光束在輸出端被整形為圓形光斑。本發(fā)明光束在光波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)高效傳輸，并通過(guò)過(guò)渡結(jié)構(gòu)逐步將光束整形為圓形光束。
2、根據(jù)本發(fā)明第一方面，提供了一種基于光波導(dǎo)的激光器光束整形系統(tǒng)，包括從左至右依次設(shè)置的半導(dǎo)體激光器、快軸準(zhǔn)直透鏡、慢軸準(zhǔn)直透鏡、擴(kuò)束系統(tǒng)、聚焦透鏡和光波導(dǎo)；
3、所述半導(dǎo)體激光器用于輸出光束；
4、所述快軸準(zhǔn)直透鏡為平凸柱面透鏡，用于對(duì)光束的快軸方向進(jìn)行準(zhǔn)直，從而減小快軸方向的發(fā)散角；
5、所述慢軸準(zhǔn)直透鏡為平凸柱面透鏡，用于對(duì)光束的慢軸方向進(jìn)行準(zhǔn)直，從而減小慢軸方向的發(fā)散角；
6、所述擴(kuò)束系統(tǒng)包括在前的平凹柱面透鏡和在后的平凸柱面透鏡，用于擴(kuò)展快軸方向的光束寬度至與慢軸方向的光束寬度一致；
7、所述聚焦透鏡為平凸透鏡，用于將光束聚焦到光波導(dǎo)輸入端；
8、所述光波導(dǎo)的輸入端截面為矩形，且輸出端截面為圓形，所述光波導(dǎo)的矩形輸入端截面與圓形輸出端截面的截面面積相同，以使所述光波導(dǎo)的光束參數(shù)積保持不變；所述光波導(dǎo)用于將矩形光斑整形為圓形光斑。
9、優(yōu)選地，所述光波導(dǎo)在矩形輸入端截面與圓形輸出端截面之間的區(qū)域?yàn)檫^(guò)渡區(qū)域，所述過(guò)渡區(qū)域的過(guò)渡輪廓采用指數(shù)函數(shù)過(guò)渡：
10、
11、其中wbegin(x,y)是光波導(dǎo)輸入端矩形截面上的波導(dǎo)寬度分布，wend(x,y)是光波導(dǎo)輸出端圓形截面上的波導(dǎo)寬度分布，l是光波導(dǎo)過(guò)渡區(qū)域的長(zhǎng)度，z為光波導(dǎo)長(zhǎng)度方向的坐標(biāo)，w(x,y,z)為z坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的截面上的波導(dǎo)寬度分布。
12、優(yōu)選地，所述光波導(dǎo)輸入端的光斑尺寸小于光波導(dǎo)的矩形輸入端截面尺寸，光波導(dǎo)輸入光束慢軸方向的光束寬度小于矩形輸入端截面的長(zhǎng)邊，光波導(dǎo)輸入光束快軸方向的光束寬度小于矩形輸入端截面的短邊。
13、優(yōu)選地，所述光波導(dǎo)輸入端的入射光在慢軸方向的光束參數(shù)積大于其快軸方向的光束參數(shù)積，且所述慢軸方向的光束參數(shù)積小于光波導(dǎo)的光束參數(shù)積。
14、根據(jù)本發(fā)明另一方面，提供了所述的基于光波導(dǎo)的激光器光束整形系統(tǒng)進(jìn)行光束整形方法，包括：
15、半導(dǎo)體激光器輸出光束，依次經(jīng)過(guò)快軸準(zhǔn)直透鏡、慢軸準(zhǔn)直透鏡、慢軸擴(kuò)束系統(tǒng)、聚焦透鏡和光波導(dǎo)；
16、當(dāng)經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直后的光斑入射到擴(kuò)束系統(tǒng)時(shí)，得到經(jīng)過(guò)擴(kuò)束系統(tǒng)后快軸方向上的光斑尺寸d2；
17、
18、其中，f1為擴(kuò)束系統(tǒng)中的平凹柱面透鏡的焦距，f2為擴(kuò)束系統(tǒng)中的平凸柱面透鏡的焦距，d1為先后經(jīng)過(guò)快軸和慢軸準(zhǔn)直后的快軸方向的光斑半徑；
19、所述聚焦透鏡對(duì)擴(kuò)束后的光束進(jìn)行聚焦，使聚焦后的光束能夠耦合到光波導(dǎo)的輸入端；
20、經(jīng)過(guò)聚焦后到達(dá)光波導(dǎo)輸入端的光斑呈矩形，耦合進(jìn)入光波導(dǎo)的矩形光斑，經(jīng)過(guò)光波導(dǎo)的過(guò)渡區(qū)域后，在光波導(dǎo)的輸出端輸出圓形光束。
21、優(yōu)選地，聚焦后到達(dá)光波導(dǎo)輸入端的光束其快軸方向和慢軸方向的發(fā)散角相等，并且光束達(dá)到光波導(dǎo)輸入端的光束發(fā)散角θin小于光波導(dǎo)的最大接收角θmax，從而實(shí)現(xiàn)耦合；
22、所述θmax通過(guò)光波導(dǎo)的數(shù)值孔徑na計(jì)算獲得，光波導(dǎo)數(shù)值孔徑na和θmax的關(guān)系為：
23、
24、其中，n0為空氣折射率，n1為纖芯折射率，n2為包層折射率；當(dāng)光束耦合進(jìn)入光波導(dǎo)時(shí)，入射角小于或等于θmax的光線在纖芯和包層界面發(fā)生全內(nèi)發(fā)射，從而被約束在纖芯中傳播；當(dāng)入射角大于θmax的光線由于折射最終被損耗。
25、與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明提供的一種基于光波導(dǎo)的激光器光束整形系統(tǒng)的有益效果是：
26、(1)本發(fā)明基于光波導(dǎo)的激光光束整形系統(tǒng)，包括輸入端截面為矩形、輸出端截面為圓形的光波導(dǎo)，光波導(dǎo)的矩形端面能夠高效接收激光光束，避免了半導(dǎo)體激光器輸出光束快軸和慢軸方向光束參數(shù)積(bpp)差異導(dǎo)致的亮度損耗問(wèn)題，對(duì)于條寬較大的高功率寬面半導(dǎo)體激光器，相比于直接耦合進(jìn)入光纖提高了光束的亮度約一個(gè)數(shù)量級(jí)。
27、(2)本發(fā)明通過(guò)采用固定式光學(xué)組件，包括快軸準(zhǔn)直鏡、慢軸準(zhǔn)直鏡、擴(kuò)束系統(tǒng)、聚焦透鏡和光波導(dǎo)，無(wú)活動(dòng)部件，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)復(fù)雜度低，調(diào)試過(guò)程簡(jiǎn)便快捷，同時(shí)具備長(zhǎng)期穩(wěn)定性，適用于多種高要求的應(yīng)用場(chǎng)景。
28、(3)本發(fā)明的光波導(dǎo)采用脈沖激光刻寫技術(shù)，在玻璃內(nèi)部形成微小折射率變化區(qū)域，從而精確控制波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的過(guò)渡形狀。光束在光波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)高效傳輸，并通過(guò)過(guò)渡結(jié)構(gòu)逐步將光束整形為圓形光束。在整形過(guò)程中，過(guò)渡區(qū)域的截面面積基本保持不變，避免高階模式激發(fā)及模式轉(zhuǎn)換引起的能量損耗，確保整形后的光束具備優(yōu)異的對(duì)稱性和光束質(zhì)量。
1.一種基于光波導(dǎo)的激光器光束整形系統(tǒng)，其特征在于，包括從左至右依次設(shè)置的半導(dǎo)體激光器、快軸準(zhǔn)直透鏡、慢軸準(zhǔn)直透鏡、擴(kuò)束系統(tǒng)、聚焦透鏡和光波導(dǎo)；
2.如權(quán)利要求1所述的基于光波導(dǎo)的激光器光束整形系統(tǒng)，其特征在于，所述光波導(dǎo)在矩形輸入端截面與圓形輸出端截面之間的區(qū)域?yàn)檫^(guò)渡區(qū)域，所述過(guò)渡區(qū)域的過(guò)渡輪廓采用指數(shù)函數(shù)過(guò)渡：
3.如權(quán)利要求1所述的基于光波導(dǎo)的激光器光束整形系統(tǒng)，其特征在于，所述光波導(dǎo)輸入端的光斑尺寸小于光波導(dǎo)的矩形輸入端截面尺寸，光波導(dǎo)輸入光束慢軸方向的光束寬度小于矩形輸入端截面的長(zhǎng)邊，光波導(dǎo)輸入光束快軸方向的光束寬度小于矩形輸入端截面的短邊。
4.如權(quán)利要求1所述的基于光波導(dǎo)的激光器光束整形系統(tǒng)，其特征在于，所述光波導(dǎo)輸入端的入射光在慢軸方向的光束參數(shù)積大于其快軸方向的光束參數(shù)積，且所述慢軸方向的光束參數(shù)積小于光波導(dǎo)的光束參數(shù)積。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的基于光波導(dǎo)的激光器光束整形系統(tǒng)進(jìn)行光束整形方法，其特征在于，包括：
6.如權(quán)利要求5所述的光束整形方法，其特征在于，聚焦后到達(dá)光波導(dǎo)輸入端的光束其快軸方向和慢軸方向的發(fā)散角相等，并且光束達(dá)到光波導(dǎo)輸入端的光束發(fā)散角θin小于光波導(dǎo)的最大接收角θmax，從而實(shí)現(xiàn)耦合；