激光器光束质量测量技术研究

吴乔石

摘 要：由于半导体激光器结构的特点，在其应用中需对其波束进行整形，为了有利于大功率半导体激光器的推广应用，需准确识别大功率半导体激光器的输出分布特性。该文从M2因子、远端发散角，近端及远端的光强分布等方面对大功率半导体激光器的光束质量进行了测量技术研究，给出了相应的测量方案和误差分析。

关键词：大功率半导体激光器；远端光强分布；光束质量；发散角

中国分类号：TN284 文献标志码：A

0 引言

目前在特种材料加工制造领域中大部分使用CO2激光器和YAG激光器，近十年来随着对大功率半导体激光器物理机制的研究以及半导体工艺的创新和应用，特别是在新材料新技术合成应用的突破，由于大功率半导体激光器具有较高的输出功率和良好的光束质量，使大功率半导体激光器在加工制造业中得到了广泛的应用。激光加工技术是对材料进行精准加工，为此须对激光器光束质量进行测量。

1 大功率半导体激光器光束质量测量

该文从M2因子、远端发散角、近端及远端的光强分布等方面对大功率半导体激光器的光束质量进行了测量研究。

1.1 测量方案

图1中的可调谐衰减器为德国Metrlux 的ML2300Polarlu，其作用是在光束分析CCD前进行衰减。

图1中的滤波片采用德国Metrlux的中性滤波片：

与CCD相机配套光束分析软件为德国 Metrlux 的ML1201 beamlux II advanced

ML2300 Polarlux的Maximum input power 选择1 000 w/cm2；

Metrolux中性滤波片选择02402-41025（700-1100）一套4片，其型号及技术

透光率为：10%，1%，0.1%，0.01%

ML37430-11200-1光束分析仪，重点技术指标为：

（1）Wavelength range：320 nm～1100 nm。

（2） Resolution：1392×1040。

（3） Frame rate：50帧/秒。

系统选用的Metrolux ML1201 beamlux Ⅱ advanced系列软件必须与光束CCD分析相机匹配。

1.2 注入电流与光束质量的关系

利用透镜变换法，测量激光器在不同工作电流下的质量参数。通过高斯拟合，当注入电流分别为800 mA、1 600 mA、2500 mA和5 000 mA时，M2因子的值分别为69、56、42、52；当注入电流较小时，由于有源区较大，仅有边缘部分激射，此时光束质量较差，光斑呈现为环形；随着电流的不断增大，有源区电流密度也近似平均并全部激射，此时光斑为圆形对称，当再次增大电流时，有源区造成电流拥阻，因此造成光束质量开始变差。

1.3 出光口径与光束质量的关系

选用为100 mm、200 mm、300 mm和500 mm不同出光口径的器件时，在同时注入电流为2 A下的远场光斑强度分布。小口径发射器件电流分布相对较均匀，有源区边缘电流密度与中心电流密度相似，全部激射。阈值下，光束分布趋近于高斯模型，远场光束以中心轴为对称均匀分布，中心处光强大，此时光束发散角较小，当有源区直径逐渐增加时，激光强度分布越发不均匀，其中注入载流子浓度较高的地方，激射也相对较高，光束分布不均匀，光束质量随着出光口径的增大而变小。

2 大功率半导体激光器发散角测量

2.1 测量方案

测试系统由脉冲电机、光电探测器和计算机等组成。测试系统在一个相对平行的光学导轨上，探测器的狭缝可调节，根据光功率可调整其宽度；探测器底座装在马达的驱动下竖直平面内移动，在测量开始时完成CCD与光斑中心、（光强最大点处）的寻心和对心，进而测得发散角数值；过去的测量方法往往根据器件的几何外形进行对心，通常难以保证找准真正的光斑中心点。该文采用相对科学的寻心方法，具体为首先调节CCD的位置，调制到光斑平面内，驱动放置LD的脉冲电机在0～180°，使其能在够水平范围内转动，通过CCD对光斑X方向的直线进行光强检测。当PD在X方向检测后，计算机找出并记錄该直线上的光强最大值。由计算机驱动脉冲电机回到检测到的最大光强点处，该点应为直线到光斑中心点距离最小处，驱动马达使CCD沿过该点的垂线移动，从而可进行光强检测。同理找到Y方向的最大光强点即为光斑中心。确定光斑中心后，由计算机驱动脉冲电机从光斑中心向左右2个方向进行水平运动，当功率值降到一半处为光斑边缘。

2.2 误差分析

（1）脉冲电机的误差影响激光器发散角，其误差主要由脉冲电动机的步距角误差、失步误差、起停误差构成。在这些影响误差的因素中，很难减小随机性误差，一般只能通过全面提高脉冲电机各部分的精度、配合质量、增强刚度、减少摩擦系数等来改善。

（2）可以使用误差补偿的方法提高精度，在脉冲电机的转轴上安装增量式光学码盘，使脉冲电机形成闭环控制。

3 结论

该文从M2因子、远端发散角，近端及远端的光强分布等方面对大功率半导体激光器的光束质量进行了分析研究，给出了相应的测量方案及误差分析。

除了固态激光器泵浦源以外，大功率半导体激光器也被直接使用于特种材料加工再制造领域中，其性能相较于传统加工制造手段，在降低成本、提高产能、增强稳定性等方面有显著优势。未来，随着基础材料性能的提升，工艺的升级，大功率半导体激光器将会在材料加工领域中得到更广泛、更深入的应用。

参考文献

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