微推进器点火用高功率密度LD整形光学系统研究

摘要

半导体激光器(LaserDiode,LD)自发明以来,被广泛的应用于能量型激光应用领域,如二极管泵浦全固态激光器、光纤激光器及材料处理等。而输出功率在几瓦或数百毫瓦的单管半导体激光器在通讯、测距、医疗等方面具有非常大的应用潜力,在上述应用中一般要求激光系统具有高准直性、高功率密度、高亮度等特性。但由于半导体激光器自身发光特点(大发散角、高度像散)的限制,不能满足使用要求。同时,半导体激光器体积小,采用常规的宏光学的方法无法获得理想的整形结果。迫切需要解决高功率密度LD光学变化技术难题,这一研究工作对推广半导体激光器的应用有着积极的意义。本文以半导体激光点火为应用背景,在高功率密度单管激光器光束整形方面开展了研究,采用微光学整形的方法实现了光束的变换,从光束整形方法、误差分析、系统集成等几个方面开展了深入的研究。本文通过研究微推进器点火用高功率密度整形系统的使用要求及国内外研究进展,总结出该类系统的特点;通过研究半导体激光器的分类、性能及发光特性等,明确了光束变换系统输入参数;采用光束变换理论对消除半导体激光的像散及提高输出激光的功率密度进行了分析,确定光学系统所要完成的功能,对光束变换系统进行设计和仿真模拟;最后开展实验研究,采用功率为1.13W的单管激光器,完成包括准直、整形、聚焦等功能,实现光束的均衡和高功率密度输出,得到光斑面积40μm×36μm,光束孔径角正弦值0.346,能量利用率61％,最大功率密度为7×104W/cm2,平均功率密度4.3×104W/cm2的结果。进行初步能量损失分析,并对相关问题进行了讨论。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 微推进器研究背景

1.2 用于微推进器点火的光学系统工作原理

1.3 高功率密度LD整形技术国内外研究进展

1.4 课题来源

1.5 本文的主要研究内容及取得的研究成果

第二章 半导体激光器发光特性研究

2.1 高功率半导体激光器简介

2.1.1 发光机理及发展进程

2.1.2 高功率LD的结构及分类

2.2 激光光束质量评价方法

2.2.1 束腰ω

2.2.2 远场发散角

2.2.3 光参数积

2.2.4 M~2因子

2.2.5 光功率密度I

2.2.6 亮度B

2.2.7 聚焦光斑尺寸

2.3 半导体激光器光束特点

2.4 光学系统光参数积匹配原理

2.5 本章小结

第三章 半导体激光器光束整形

3.1 准直系统

3.1.1 快轴准直

3.1.2 慢轴准直

3.2 光束质量均衡系统(整形系统)

3.2.1 折反式多棱镜阵列光束整形

3.2.2 阶梯反射镜阵列光束整形

3.2.3 双平面反射镜光束整形

3.2.4 微光栅阵列光束整形

3.3 二次准直系统

3.4 聚焦系统

3.5 系统设计与仿真

3.5.1 单管激光器选择

3.5.2 光学元件参数估算及系统仿真

3.6 本章小结

第四章 聚焦光学系统实验

4.1 实验环境及条件

4.2 光束测试手段介绍

4.3 光束变换系统实验

4.3.1 快慢轴准直透镜的装调与测试

4.3.2 光束整形系统实验

4.3.3 二次准直、聚焦系统及结果分析

4.4 本章小结

第五章 总结及展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

攻读硕士学位期间申请的专利