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0431-81702023
光學工程
激光表面改性3 kW 半導體激光器矩形光斑聚焦系統研究

激光表面改性 3 kW 半導體激光器矩形光斑聚焦系統研究

摘要 針對 3 kW 半導體激光器應用于機器人表面改性系統,聚焦光斑不均勻問題,提出了一種采用菲涅耳透鏡對面陣高功率半導體激光器輸出光斑進行聚焦勻化的方法,設計出尺寸為 10 mm ×2 mm 的均勻矩形光斑。利用 Zemax 和 Matlab 軟件進行仿真分析,研究了菲涅耳透鏡楞距和入射光發散角對聚焦系統焦斑均勻性的影響。結果表明,當菲涅耳透鏡楞距在 1 mm 以內時,焦斑均勻性最佳約為 94.90%。隨著楞距的繼續增大,輸出光斑均勻性會逐漸降低。當楞距增大到 2.5 mm 后,光斑的均勻性不再隨楞距的增大而變化,基本穩定在 93.85%左右。焦斑的均勻性會隨著發散角的增大有所提高,但是發散角太大會使聚焦難度增加,而且光斑均勻性也隨之劣化。當菲涅耳透鏡楞距為 1 mm,入射光發散角在 12.5~20 mrad 范圍內時,焦斑均勻性最好約為 95.22%。

關鍵詞 激光器; 半導體激光器; 菲涅耳透鏡; 表面改性; 矩形光斑

1 引 言

      相比于傳統的氣體與固體激光器,半導體激光器(DL)具有電光轉換效率高、壽命長、體積小[1] 的特點,人們對它的應用前景充滿期待。但是大光腔半導體激光器所固有的缺陷是快慢軸光束參量乘積(BPP)嚴重不對稱,促使早些時候的研究者斷言其 BPP 不可能優于燈泵 Nd∶YAG 激光器[2] ,即其應用只能局限于抽運源、材料表面處理、薄板切割和熱傳導焊接方面。

      應用非相干合束技術(包括空間合束、波長合束和偏振合束),能使半導體激光器的輸出功率密度成倍增加[3] 。在光束整形系統中,采用 N 種非相干合束技術,須增加 2N 個光學元件,輸出功率密度也對應增加 2N 倍,例如 Dilas 的直接輸出半導體激光系統,輸出功率最高可達 3 kW,效率在 40%以上;Laserline 的直接輸出二極管激光器,其輸出功率為 500~6000 W,其為特殊客戶量身定制的雙激光系統中,可以使輸出功率達到 8 kW,并疊加不同波長的激光。然而,較多的光學元件降低了系統的穩定性,增加了光束整形的成本。真正使光束質量或功率密度有本質性的提高,是在光譜合束技術[4-8] 提出之后。原理上,經光譜合束的半導體激光器疊陣,其光束質量可以與單個 DL 單元相比擬。最成功的光譜合束結構是由 MIT 林肯實驗室及其建立的 Teradiode 公司提出的基于衍射光柵光譜合束結構[9] ,其高功率激光系統的輸出可達 5~8 kW,采用光纖耦合輸出,芯徑為 100 μm,光束參量乘積 fBPP<6mm·mrad。

      高功率半導體激光器根據輸出方式分類,可分為直接輸出和光纖耦合輸出[10] 。直接輸出能任意調控輸出光斑形狀與尺寸,適用于對功率密度要求不高的場合。光纖耦合輸出能獲得更好的光束質量和光束均勻性,但是耦合難度大,對耦合前光束整形要求高[11] 。

      半導體激光器的光斑形狀與尺寸可任意調控是其另一大優勢,Bachmann 在其學術專著《High Power Diode Lasers: Technology and Applications》的引言部分說到“除了高效率外,半導體激光器可調控其光斑外形以匹配加工面的幾何外形,為激光材料加工打開了全新的視野”。

       本文旨在設計一種用于 DL 直接輸出的聚焦光學系統,要求輸出不同長寬比的均勻矩形光斑。文中分析了球面透鏡組、柱面透鏡組及球-柱混合透鏡組存在的問題,提出一種基于菲涅耳透鏡的聚焦系統設計思路,設計并實現了尺寸為 10 mm×2 mm 的均勻矩形光斑。菲涅耳透鏡具有較高的設計自由度,通過改變菲涅耳透鏡參數,理論上此方法可推廣到獲得任意長寬比的均勻矩形光斑的設計。

 2 3 kW 半導體激光器直接光束整形系統

 2.1 直接光束整形系統結構

      半導體激光器直接光束整形系統一般包含: DL 陣列、快軸準直(FAC)微柱面鏡陣列、慢軸準直(SAC)透鏡、聚焦系統[12] ,結構如圖 1 所示。本文的研究重點是高功率半導體激光器聚焦透鏡組的設計,針對目前半導體激光器非球面聚焦系統無法輸出任意形狀光斑,以及柱透鏡組無法輸出均勻光斑的不足。提出了一種菲涅耳透鏡聚焦系統,它能同時兼顧光斑形狀和光斑均勻性,滿足高功率半導體激光器應用于表面改性的要求。

     

2.2 不同聚焦系統性能分析

      目前,高功率半導體激光器直接光束整形聚焦系統設計方案主要有球面鏡組、柱面鏡組、球柱面鏡組。采用球面鏡組,如三分離物鏡,能夠很好地消除系統的球差和慧差,但由于進入聚焦系統前光束在慢軸方向上的非均勻分布導致聚焦光斑在快軸方向上始終是非均勻的。另外,球面鏡組的一個顯著缺陷就是無法靈活的控制輸出光斑的形狀。柱面鏡組可以通過兩片相互正交的柱面鏡分別對快慢軸進行聚焦,可以實現任意長寬比的矩形光斑輸出。但是柱面鏡僅僅是對沿快慢軸方向上的光斑分別進行簡單的聚焦,而無法使得輸出光斑均勻一致。若采用球柱面鏡組,雖可以在一定范圍內調整輸出光斑形狀,但其輸出光斑的均勻性無法得到實質性的提高。因此,綜合考慮以上聚焦系統的優缺點,針對特殊材料的表面淬火等對輸出光束質量要求較高的場合,本文提出了一種運用菲涅耳透鏡的聚焦系統,能夠在控制輸出光斑形狀的同時,有效提高光斑的均勻性。

2.3 菲涅耳聚焦系統原理分析

      由于聚焦系統的初始入射光場在快慢軸方向上的發散角仍然存在著差異[13] ,為了得到均勻的矩形光斑,必須對快慢軸分別進行聚焦。如圖 2 所示,經過準直的快慢軸光束進入菲涅耳聚焦系統,慢軸(X 軸)方向上的光束被菲涅耳透鏡分割重排進行聚焦,而快軸(Y 軸)方向上的光束由于準直后發散角較小,僅通過一個柱面鏡就能很好的聚焦,并且菲涅耳透鏡與柱面鏡相距 20 mm。通過設計菲涅耳透鏡各楞高度角和柱面鏡,就能根據需要靈活地控制輸出光斑的形狀和大小,并且輸出均勻光斑。

     

3 菲涅耳聚焦系統設計

3.1 菲涅耳透鏡理論設計

      吳賀利等[14] 推導了菲涅耳透鏡的統一設計公式,圖 3(a)為弧形基面菲涅耳透鏡原理示意圖,設一點光源處在光軸 F 點,它的光束從 F 點出發,經過透鏡后到達另一側 F′ 點,則楞高度角 θi :

根據上述統一的設計公式,給定相應的初始條件,可設計四種不同結構的菲涅耳透鏡。其中,平板楞朝

內的菲涅耳透鏡的光學效率最高,因此本文主要研究平板楞朝內的菲涅耳透鏡,原理如圖 3(b)所示。平板型楞朝內,那么,f = ∞,ui = 0,ω′ i = 0 ,則此時楞高度角為

3.2 參數設計

      本文的研究重點是經快慢軸準直后的光束的聚焦透鏡組設計,如圖 4 所示,DL 陣列經快慢軸準直后,在距慢軸準直鏡 100 mm 處設置聚焦透鏡組。聚焦透鏡組的入射光場尺寸為 40 mm×36 mm 的矩形,該矩形的最小外界圓半徑 rmin ≈ 26.907 mm ,光斑的有效尺寸為 30 mm ×36 mm,如圖 5 所示。光束在快軸的發散角 θfast ≤ 2.5 mrad ,光束在慢軸的發散角 θslow ≤ 15 mrad 。

      設計的菲涅耳透鏡尺寸為 40 mm×40 mm,采用的材料為 LAFN21,焦距 f=400 mm,入射光波長為 980 nm,設計的聚焦系統輸出光斑尺寸為 10 mm×2 mm。

3.3 菲涅耳聚焦透鏡系統的評價方法

 

     光束聚焦勻化系統的優劣一般通過焦斑的均勻性來評價[15] 。焦斑均勻性可通過對焦斑強度的所有取樣點取均方根 MRMS 來表示:

     式中 Imax 為最大輸出光強值,Ip 為不小于 0.8Imax 的取樣點光強值,n 為總取樣點數,I ˉ 為取樣點光強的平均值。從定義式可以看出,焦斑的均方根表征的是所有取樣值對平均光強的偏離程度,MRMS 值越大,偏離程度越大,光斑均勻性越差,則光斑均勻性 M 可表示為

 

 

 

4 菲涅耳聚焦透鏡組性能分析

4.1 透鏡楞距對光斑均勻性的影響

     當入射光快軸發散角 θfast = 2.5 mrad ,慢軸發散角 θslow = 15 mrad ,在菲涅耳透鏡聚焦系統的焦距 f=380 mm (距柱面鏡后表面距離)處,輸出光斑尺寸為 10 mm×2 mm 時,研究不同菲涅耳透鏡楞間距對聚焦光斑均勻性的影響,其結果如表 2 所示。

 

      通過分析圖 6 菲涅耳透鏡楞距對光斑均勻性的影響圖發現,菲涅耳透鏡楞距由 0.5 mm 增大到 1 mm 過程中,其光斑均勻性變化不大,均維持在 94.90%左右。而隨著楞距的繼續增大,輸出光斑均勻性會逐漸降低。當楞距增大到 2.5 mm 后,光斑的均勻性不再隨楞距的增大而變化,基本穩定在 93.85%左右。分析其原因:當 DL 單元光束入射到菲涅耳透鏡后,菲涅耳透鏡楞距較小時,每一個楞可以單獨聚焦一個 DL 單元發出的光束,并將這些 DL 單元光束均勻有序的在焦平面處進行疊加,這樣得到的光斑均勻性較好。但是當楞距繼續增大后,每一個楞需要同時聚焦多個 DL 單元光束,這樣 DL 單元光束間的暗區無法得到有效的填充,光斑的均勻性也會因此而降低。當楞距增加到 2.5 mm 以后,楞距對光斑均勻性的影響甚微。不同楞間距菲涅耳透鏡聚焦系統輸出光斑三維圖如圖 7 所示,光斑均勻性隨著楞距的增大逐漸變差。

4.2 入射光發散角對光斑均勻性的影響

     根據上節分析,選擇楞距為 1 mm 的菲涅耳聚焦系統,分析入射光發散角對聚焦光斑均勻性的影響。由于快軸方向上經準直后發散角較小,θfast ≤ 2.5 mrad ,僅通過一個柱面鏡就能很好的聚焦。因此只需分析不同入射光在慢軸方向上發散角對菲涅耳聚焦系統的聚焦效果的影響,其結果如表 3 所示。

     通過分析圖 8 入射光發散角對輸出光斑均勻性的影響圖發現,起初隨著入射光慢軸發散角的增大,菲涅耳聚焦系統輸出光斑的均勻性會逐漸提高。當發散角增加到 12.5 mrad 后,會出現一個 12.5~20 mrad 的平坦區,在此區域內光斑的均勻性較高,基本在 95.22%附近波動。隨著發散角的進一步增加,輸出光斑均勻性逐漸降低。分析其原因,當入射光慢軸發散角較小時,被菲涅耳透鏡聚焦后,每個 DL 單元光束在焦平面上不發生交疊,或者交疊區域有限,起不到勻化光斑的作用。只有當發散角增大到一定范圍內(12.5~20 mrad),各 DL 單元光束才能在焦平面上較好的疊加,消除暗區,使輸出光斑得到勻化。但是,當發散角超過 20 mrad 后, DL 單元光束在到達菲涅耳透鏡前,已經交疊得很厲害,而菲涅耳聚焦系統對這種雜亂無章的光束起不到很好的聚焦勻化作用,所以光斑均勻性在下降。

     如圖 9 所示,隨著慢軸(X 軸)方向上發散角的增大,聚焦光斑在慢軸方向上的展寬也迅速增大。因此,可以利用這些特性根據需要設計出所需尺寸的均勻矩形光斑。但是發散角增大后,聚焦光斑的下降沿也隨之增大,嚴重降低了光斑的均勻性。因此,在設計均勻的矩形光斑輸出時,要綜合考慮入射光發散角。

5 實驗結果與分析

5.1 輸出光斑分析

 

    通過上述分析,設計制作了楞間距為 1 mm 的菲涅耳透鏡聚焦系統,通過菲涅耳透鏡對慢軸方向的光束進行分割聚焦,柱面鏡對快軸方向上光束進行聚焦,如圖 10 所示,柱面鏡與菲涅耳透鏡相距 20 mm,系統的焦距 f=380 mm,焦點處光斑大小為 10 mm×2 mm。在此聚焦系統中,運用 Zemax 分別模擬仿真了焦點及離焦處的輸出光斑,如圖 11(a)所示。慢軸方向上光束經過菲涅耳透鏡分割聚焦后,光斑在慢軸方向上,尺寸變化較小,而且光斑均勻。而在快軸方向上,光斑隨著離焦量的減少,光斑尺寸迅速減小,并在焦點處達到最小值。分析可知,此聚焦系統的焦深在 20 mm 左右。

 

     如圖 11(b)所示,是實際測得的菲涅耳聚焦系統的輸出光斑圖,所用激光功率為 800 W,在鋼塊上作用時間為 1 s,可見不同位置處的實測光斑圖與系統的模擬仿真圖具有高度的一致性。離焦量越大,光斑在快軸方向上發散越大,光斑均勻性越差,光斑的功率密度越低,甚至出現兩個峰值光斑。而在焦點附近,光斑形狀均勻一致,功率密度較高,能夠很好的滿足表面改性處理。

5.2 表面淬火處理實驗結果分析

      運用設計的菲涅耳聚焦系統,分別利用上節分析的各點處的光斑進行了表面淬火實驗,其結果如圖 12 所示,所用半導體激光功率為 800 W,處理速度為 2.5 mm/s。不同位置處的輸出光斑其形狀和光斑均勻性存在較大差異,其淬火結果也各不一樣。在焦點附近的均勻矩形光斑的淬火結果較為理想,處理表面均勻一致,紋路致密。而隨著離焦量的增加,光斑均勻性嚴重降低,導致淬火表面疏松粗糙,不同位置處的處理效果相差甚遠。

6 結 論

       仿真和實驗結果表明,菲涅耳透鏡聚焦系統能夠同時有效解決高功率半導體激光器輸出光斑形狀和均勻性問題,大大提高了高功率半導體激光器運用于表面改性時的效率和質量,其結論如下:

      1) 菲涅耳透鏡楞距由 0.5 mm 增大到 1 mm 過程中,其光斑均勻性變化不大,均維持在 94.90%左右。而隨著楞距的繼續增大,輸出光斑均勻性會逐漸降低。當楞距增大到 2.5 mm 后,光斑的均勻性不再隨楞距的增大而變化,基本穩定在 93.85%左右。因此,為了獲得較高的光斑均勻性,菲涅耳透鏡的楞距最好不超過 1 mm。

      2) 隨著入射光發散角(慢軸)的增大,菲涅耳聚焦系統輸出光斑的均勻性會逐漸提高。當發散角增加到 12.5 mrad 后,會出現一個 12.5~20.0 mrad 的平坦區,在此區域內光斑的均勻性較高,基本維持在 95.22%附近。隨著發散角的進一步增加,輸出光斑均勻性又逐漸降低。

      3) 菲涅耳透鏡具有更多的設計自由度,通過控制菲涅耳透鏡的楞高度角可以靈活的設計其聚焦光斑的形狀。但是,當入射光發散角增大時,其光斑展寬也迅速增大。因此,在設計均勻矩形光斑輸出時,要綜合考慮聚焦系統的入射光發散角以及菲涅耳透鏡楞高度角的設計。

 


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