激光器光束質量測量技術研究

吳喬石

摘 要：由于半導體激光器結構的特點，在其應用中需對其波束進行整形，為了有利于大功率半導體激光器的推廣應用，需準確識別大功率半導體激光器的輸出分布特性。該文從M2因子、遠端發散角，近端及遠端的光強分布等方面對大功率半導體激光器的光束質量進行了測量技術研究，給出了相應的測量方案和誤差分析。

關鍵詞：大功率半導體激光器；遠端光強分布；光束質量；發散角

中國分類號：TN284 文獻標志碼：A

0 引言

目前在特種材料加工制造領域中大部分使用CO2激光器和YAG激光器，近十年來隨著對大功率半導體激光器物理機制的研究以及半導體工藝的創新和應用，特別是在新材料新技術合成應用的突破，由于大功率半導體激光器具有較高的輸出功率和良好的光束質量，使大功率半導體激光器在加工制造業中得到了廣泛的應用。激光加工技術是對材料進行精準加工，為此須對激光器光束質量進行測量。

1 大功率半導體激光器光束質量測量

該文從M2因子、遠端發散角、近端及遠端的光強分布等方面對大功率半導體激光器的光束質量進行了測量研究。

1.1 測量方案

圖1中的可調諧衰減器為德國Metrlux 的ML2300Polarlu，其作用是在光束分析CCD前進行衰減。

圖1中的濾波片采用德國Metrlux的中性濾波片：

與CCD相機配套光束分析軟件為德國 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，其型號及技術

透光率為：10%，1%，0.1%，0.01%

ML37430-11200-1光束分析儀，重點技術指標為：

（1）Wavelength range：320 nm～1100 nm。

（2） Resolution：1392×1040。

（3） Frame rate：50幀/秒。

系統選用的Metrolux ML1201 beamlux Ⅱ advanced系列軟件必須與光束CCD分析相機匹配。

1.2 注入電流與光束質量的關系

利用透鏡變換法，測量激光器在不同工作電流下的質量參數。通過高斯擬合，當注入電流分別為800 mA、1 600 mA、2500 mA和5 000 mA時，M2因子的值分別為69、56、42、52；當注入電流較小時，由于有源區較大，僅有邊緣部分激射，此時光束質量較差，光斑呈現為環形；隨著電流的不斷增大，有源區電流密度也近似平均并全部激射，此時光斑為圓形對稱，當再次增大電流時，有源區造成電流擁阻，因此造成光束質量開始變差。

1.3 出光口徑與光束質量的關系

選用為100 mm、200 mm、300 mm和500 mm不同出光口徑的器件時，在同時注入電流為2 A下的遠場光斑強度分布。小口徑發射器件電流分布相對較均勻，有源區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，遠場光束以中心軸為對稱均勻分布，中心處光強大，此時光束發散角較小，當有源區直徑逐漸增加時，激光強度分布越發不均勻，其中注入載流子濃度較高的地方，激射也相對較高，光束分布不均勻，光束質量隨著出光口徑的增大而變小。

2 大功率半導體激光器發散角測量

2.1 測量方案

測試系統由脈沖電機、光電探測器和計算機等組成。測試系統在一個相對平行的光學導軌上，探測器的狹縫可調節，根據光功率可調整其寬度；探測器底座裝在馬達的驅動下豎直平面內移動，在測量開始時完成CCD與光斑中心、（光強最大點處）的尋心和對心，進而測得發散角數值；過去的測量方法往往根據器件的幾何外形進行對心，通常難以保證找準真正的光斑中心點。該文采用相對科學的尋心方法，具體為首先調節CCD的位置，調制到光斑平面內，驅動放置LD的脈沖電機在0～180°，使其能在夠水平范圍內轉動，通過CCD對光斑X方向的直線進行光強檢測。當PD在X方向檢測后，計算機找出并記錄該直線上的光強最大值。由計算機驅動脈沖電機回到檢測到的最大光強點處，該點應為直線到光斑中心點距離最小處，驅動馬達使CCD沿過該點的垂線移動，從而可進行光強檢測。同理找到Y方向的最大光強點即為光斑中心。確定光斑中心后，由計算機驅動脈沖電機從光斑中心向左右2個方向進行水平運動，當功率值降到一半處為光斑邊緣。

2.2 誤差分析

（1）脈沖電機的誤差影響激光器發散角，其誤差主要由脈沖電動機的步距角誤差、失步誤差、起停誤差構成。在這些影響誤差的因素中，很難減小隨機性誤差，一般只能通過全面提高脈沖電機各部分的精度、配合質量、增強剛度、減少摩擦系數等來改善。

（2）可以使用誤差補償的方法提高精度，在脈沖電機的轉軸上安裝增量式光學碼盤，使脈沖電機形成閉環控制。

3 結論

該文從M2因子、遠端發散角，近端及遠端的光強分布等方面對大功率半導體激光器的光束質量進行了分析研究，給出了相應的測量方案及誤差分析。

除了固態激光器泵浦源以外，大功率半導體激光器也被直接使用于特種材料加工再制造領域中，其性能相較于傳統加工制造手段，在降低成本、提高產能、增強穩定性等方面有顯著優勢。未來，隨著基礎材料性能的提升，工藝的升級，大功率半導體激光器將會在材料加工領域中得到更廣泛、更深入的應用。

參考文獻

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