椭圆光束整形实验观测

2023-02-16 09:13:18, 韵翔光电江阴韵翔光电技术有限公司

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椭圆光束整形实验观测

椭圆光束变成圆形光束的方法比较

由于具有矩形出射孔径横截面，边发射激光二极管会发出椭圆光束。孔径尺寸较窄处的光束分量比正交光束分量具有更大的发散角。由于一个分量的发散速度快于另一个分量，因此光束的形状呈椭圆形，而非圆形。

椭圆的光束形状有时不符合需要，因为这样聚焦的光斑尺寸大于圆形光束的光斑尺寸，而大光斑尺寸使得辐照度(单位面积的功率)较低。将椭圆光束整形为圆形光束的方法包含基于一对柱面透镜、变形棱镜对或空间滤波器技术。本实验观测研究了这三种方法。通过测量M2、波前和透射功率，以评价变圆光束的特征。

研究发现，每种整形技术不仅能改善椭圆入射光束的圆形度，还展现了各自在圆形度、光束质量和透射功率方面不同的平衡程度。本实验观测中描述的结果表明，应用的具体要求将决定最适合的整形技术。

实验设计和装置

实验装置如图1所示。将温度稳定的670 nm激光二极管发射的椭圆准直光束入射到每个整形系统中(如图2到图4所示)。经过准直的光束是一种低发散光束，但并不影响光束形状。每个系统基于以下选项：

LJ1874L2-A和LJ1638L1-A平凸柱面透镜(图2)

PS873-A未安装的变形棱镜对(图3)

KT310空间滤波系统，带P5S Ø5µm针孔(图4)

如图所示，每次将一种光束整形系统放置在装置中用黄色矩形高亮显示出来的空白位置。这种设计可以在相同的实验条件下评价每种整形技术，并直接比较它们的效果。此实验约束要求是使用非最佳紧凑型夹具，以及使用未安装的变形棱镜对，而不是方便安装和预对准的变形棱镜对。

通过使用功率计、波前传感器和M2系统进行测量，评价光束经过不同整形系统之后的特征。在实验装置图中，所有系统都在平台右侧，以便描述；每次使用一种系统。功率计用来确定光束整形系统衰减入射激光强度的程度。波前传感器用来测量输出光束的畸变。M2系统测量描述输出光束与高斯光束的相似程度。理想情况下，整形系统不会使激光光束衰减和畸变，且会输出完美的高斯光束。

边发射激光二极管还会发射像散光束，会使正交光束分量的位移焦点重叠。实验观测所探讨的三种整形技术中，只有柱面透镜对可以补偿像散。每种整形技术都会测量正交光束分量焦斑之间的位移。使用柱面透镜对时，可对它们的配置进行调整以最大程度地减少激光束中的像散。像散以归一化参数显示。

实验结果

下表总结了实验结果，其中，绿色栏表示每种测量参数的最佳结果。每种整形技术都有各自的优势。系统对光束质量、透射光功率和装置局限的要求决定了应用所需的最佳整形技术。

空间滤波器明显改善了光束的圆形度和质量，但是光束的透射功率低。柱面透镜对产生了圆形度较好的光束，且平衡了圆形度、光束质量与透射功率。此外，柱面透镜对补偿了大部分光束像散。变形棱镜对提供的光束圆形度与柱面透镜对不相上下。输出光束的M2值和波前误差都要优于柱面透镜，不过它的透射功率比较低。

圆形度=dminor/dmajor，此处，dminor和dmajor分别为椭圆的小直径和大直径(1/e强度)，圆形度= 1表示完美的圆形光束。

归一化像散计算是光束的两个正交分量的束腰位置之差，除以具有较小束腰的光束分量的瑞利长度。

实验组件经过精心挑选，使得每种整形系统在实验中都能使用相同的装置。这样就可以直接比较不同整形技术的效果；但是，优化整形技术的装置也会改善其性能。用于准直透镜和变形棱镜对的安装座便于操作和集成到实验系统中。使用更小的安装座可能将改善实验效果，因为可以将它们相对彼此更加精确地定位。此外，使用定制柱面透镜和自定义焦距也可能改善柱面透镜对整形系统的效果。所有结果可能受到使用光束轮廓仪软件算法来确定圆形度计算中使用的光束半径的影响。