第38卷第1期 光电工程V ol.38, No.1 2011年1月Opto-Electronic Engineering Jan, 2011 文章编号：1003-501X(2011)01-0011-04
垂直阵列DL巴间准直光束指向精度测量方法
郭林辉，吕文强，高松信，武德勇，
李弋，李艾，蒋建锋，彭勇
( 中国工程物理研究院应用电子学研究所，四川绵阳 621900 )
摘要：简介了大功率二极管激光器垂直阵列巴条(Bar)间准直光束指向精度问题，及其对激光器垂直阵列输出光束的影响。采用单透镜远场探测系统对激光器垂直阵列远场光斑进行采集，搭建了实验测试装置。结合光斑强度质心算法对实验室封装的20巴条连续输出2 kW二极管激光器垂直阵列进行了测量，测试结果为巴间准直光束指向精度±1.7 mrad，结合二极管激光器封装工艺分析了测试结果，并对该测量方法进行了讨论分析，提出了优化该测试方法的途径。
关键词：二极管激光；巴条；快轴准直；指向精度；质心算法
中图分类号：TN247 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1003-501X.2011.01.003 Measurement of the Collimated Beam Pointing Among
Bars for Diode Lar Vertical Stack
GUO Lin-hui，LÜ Wen-qiang，GAO Song-xin，WU De-yong，
LI Yi，LI Ai，JIANG Jian-feng，PENG Yong
( Institute of Applied Electronics, China Academy of Engineering Physisc, Mianyang 621900, Sichuan Province, China ) Abstract: High power diode lar vertical stack’s collimated beam pointing error and the influence of the pointing on the lar beam are introduced. The experimental device is built, and single anastigmatic far field lens are adopted to collect the light spot of the vertical stacking. By combining the centroid arithmetic measured continuous work 2 kW vertical stacking diode lar, the results of collimation beam's pointing accuracy was ±1.7 mrad. The errors of the metrical method are analyzed and some routes are optimized to improve the metrical method.
Key words: lar diode; bar; fast axis collimation; pointing accuracy; centroid algorithm
0 引 言
高功率二极管激光器(Diode Lar，简称DL)因其结构紧凑、电光转换效率高、寿命长等特点被广泛应用于工业、医疗和材料处理等领域，特别是近年来二极管激光抽运的固体激光器(DPL)和光纤激光器(
FL)已成为重点发展方向[1-3]。由于实际应用中对激光器的功率要求不断提高，从封装角度讲，要获取大功率输出，目前多采用DL巴(Bar)组成的垂直阵列(也称DL叠阵)来提高输出功率。
周郑交质随着大功率二极管激光泵浦模块技术的不断进步，对DL垂直阵列光束准直效果和能量耦合效率的要求越来越高，阵列中巴条间准直光束的指向精度直接影响激光器光斑尺寸、光强密度均匀性及整体输出光束的传输方向，因此DL垂直阵列巴条间快轴准直光束指向精度指标已成为DL阵列封装工作者及高能DPL 激光器设计者的共同关注点，对研制高水平、高功率、高可靠性DL垂直阵列具有重要意义。
收稿日期：2010-05-20；收到修改稿日期：2010-10-12
基金项目：中国工程物理研究院基金项目(2007A10001)；国家自然科学基金重大项目(60890201)
作者简介：郭林辉(1982-)，男(汉族)，陕西渭南人。研究实习员，硕士，从事二极管激光及应用技术研究。E-mail: 。
光电工程 2011年1月
12 1 巴条间准直光束指向精度测量原理及实验装置
1.1 指向精度测量原理
DL 垂直阵列中巴条利用FAC 微透镜准直快轴光束，如图1(a)所示，巴条间准直光束指向误差如图1(b)所示。指向误差主要是由阵列的组装误差及FAC 微透镜的安装误差等因素导致，阵列叠加的巴条越多，巴条间准直光束的指向误差越不易控制，激光器冷却及光束整形越困难。
针对大功率DL 垂直阵列的结构特点，利用光学成像方法，用长焦距单透镜远场探测系统采集巴条准直光束的远场光斑，用图像处理软件计算光斑的几何中心(或能量中心)，然后计算相邻若干巴条对应的光斑中心位置的平均值和偏差值，最后将位置偏差转换为角度偏差[3-7]，即求得巴条间准直光束指向精度。
具体的单透镜远场探测系统[7]，如图2所示，不同巴条准直光束的偏差在旁轴入射条件下有
)/arctan(f d =θ (1) 式中：θ 为巴条间沿快轴方向准直光束的远场角位移(单位：mrad)，d 为角位移在单透镜焦平面上产生的平移量(单位：μm)，f 为透镜的焦距长度(单位：mm)。
1.2 实验装置及数据处理方法
为测量大功率DL 垂直阵列巴条间准直光束指向精度，搭建了如图3所示的测量装置。由于DL 阵列中单巴的输出功率较高，引入分光镜1和分光镜2进行光强衰减，大部分能量进入吸收池，透镜2和CCD 组成单透镜远场探测系统，通过移动分光镜1、2之间的狭缝，狭缝的位置依实际光束而定，让阵列中单巴准直光束逐个通过狭缝，在CCD 上分别记录其远场光斑。实验装置中各仪器的技术指标及主要作用见表1。
采用光斑质心算法计算每个巴条远场光斑的质心坐标，利用质心坐标来定位其在快轴方向的位置。将CCD 图片信息转换成灰度数据，进行阈值化处理求取各个光斑质心，计算公式[8]如下：
∑∑∑∑=====m i x n j y m i x n j y y x F x y x F x ),(),(c ，∑∑∑∑=====m i x n
j
y m i x n
j y y x F y
y x F y ),(),(c (2) 式中：x c 、y c 为光斑的质心行、列坐标；x 、y 为当前像素点的行、列坐标；F (x , y ) 为当前像素点的光强度值。由光斑质心位置坐标和CCD 像素尺寸可计算出光斑质心点在CCD 上对应的位移量d 。使用m 、n 表
图1 FAC 微透镜在DL 垂直阵列中的应用示意图
怎么截长图小米Fig.1 The sketch map of FAC lens ud in diode lar stack
Pointing error
F A C l e n s e s
今日头条电脑版Diode lar stack
(a) (b)
图2 单透镜远场探测系统示意图
Fig.2 Principle of far-field detect intensity distribution of the beam with lens
表1 实验装置的主要参数及作用
Table 1 The parameters and function for experiment equipment Instrument Parameter Function
DL stack 808 nm, 20 bar, CW 2.0 kW Equipment Splitter mirror 1, 2Double-face HT=99.8% Attenuator Cylindrical lens Focus 1 000 mm, double-face HT =99.8% Far field imaging CCD Number of pixels 632×480, pixel spacing 13.5 μm×13.5 μm, spectral respon 190~1 310 nm Detector Absorb equipment Diameter 80 mm, water cooler
Attenuator, curity Slit
Knife edge, 1~10 mm
Partition
图3 垂直阵列巴条间准直光束指向精度测量装置示意图
Fig.3 Principle tup of measuring beam pointing accuracy for DL stack
第38卷第1期 郭林辉 等：垂直阵列DL 巴间准直光束指向精度测量方法
13
示像素个数，i 、j 表示像素行列记号，计算中取整数。假设垂直阵列由n 个巴条组成，巴间准直光束指向精度可由以下公式[5-7]计算：
||11∑==n
i i d n d (3)； f
d d i i −=||arctan θ (4)
式中：d 为n 个巴条的角位移在CCD 上产生偏移量的平均值(单位：μm)，i d 为阵列中第i 个巴条角位移彼岸花为什么不能养
方阵口号在CCD 上产生的偏移量(单位：μm)，
i θ为阵列中第i 个巴条沿快轴方向准直光束的远场角位移(单位：mrad)，f 为透镜2的焦距长度(单位：mm)。
2 实验结果及讨论
2.1 实验结果
20个巴条垂直阵列安装FAC 透镜准直光束近场效果如图4(a)所示，利用图3实验装置，控制狭缝大小及位置让单个巴条的准直光束逐个通过后续光路并记录其远场光斑，单个巴条的准直光束的远场光斑图，如图4(b)所示。20个巴DL 垂直阵列巴间准直光束指向精度为±1.7 mrad ，如图5所示。对nLIGHT 公司的同类产品在同样条件下的测试结果见表2。
根据多个DL 垂直阵列的实验测试结果得到以下三方面信息：
1) DL 垂直阵列巴间指向精度越好，阵列远场输出光斑的发散角越小且光强度分布均匀。
2) DL 阵列组装效果及“smile”效应[5-6]对准直效果影响甚大，“smile”效应越小越利于阵列的光束准直。 3) 当DL 驱动电流达其最高工作电流的三分之二时测试结果趋于一致。 2.2 分析讨论
对DL 垂直阵列巴条间准直光束指向精度的准确测量就是对光束的中心或质心的精确定位问题，因此影响测量精度的主要因素有：
1) CCD 偏离透镜2焦点位置的误差。由于DL 阵列中单巴条经FAC 微透镜快轴光束准直后，准直效果(一般约)达±2 mrad(1/e 2)，近似为平行光束，测量前通过调节DL 阵列的高低，监测光束在CCD 上的位置变化，细调节透镜2和CCD 之间距离，直至CCD 上光束位置不随DL 移动而变化。假设CCD 偏离透镜2焦点位置0.5 mm ，巴条间指向精度1.7 mrad ，则光斑在CCD 上的偏移量远小于(所用CCD 的
像素尺寸)13.5 μm ，而普通移动台的精度远大于0.5 mm ，因此可认为CCD 处在了透镜2的实际焦距位置。
2) 光斑质心探测误差。光斑的光强度分布、提取光斑范围及CCD
的分辨率等都可能影响到探测误差。
图4 垂直阵列快轴准直近场效果图及单巴条远场光斑图
Fig.4 Near-field intensity distribution and single bar intensity
distribution of diode lar vertical
stack
(a) (b)
图5 垂直阵列DL 巴间准直光束指向精度测试结果
Fig.5 Pointing accuracy among bars of diode lar vertical stack
4
20
-2.0
-1.0 0.0 1.0 2.0 表2 实验室研制的垂直阵列与nLIGHT 公司同类产品实验测量结果对比
Table 2 Experimental results of our laboratory and nLIGHT Inc diode lar vertical stack七年级政治
Stack
Power /kW
V oltage /Vif函数
Current /A
Angle(1/e 2) /mrad
Pointing accuracy /mrad
Lab CW 2 kW 30 70 4.4 ±1.7 nLIGHT CW 2 kW 30
70
4.2
±1.5
光电工程 2011年1月
14 设d min 为CCD 光敏面最小可探测位移，则可探测的最小远场角移θmin =d min /f 。应用CCD 像素数为632×480，像素尺寸为13.5 µm×13.5 µm ，如果透镜的焦距为1 m ，则理论可探测最小角移为θmin =d min /f =13.5 µm/1 m
=13.5 µrad ≈14 µrad 。由此可得，在CCD 选定时，影响远场角位移测量精度的主要是透镜焦距长度。
3) 透镜2的消像差质量。由于是测量巴条间准直光束的指向精度，而不是关注一个巴准直指向性，结合1.2节中算法，存在一个平均值概念，透镜2的像差对计算结果有一定影响，主要是球差。对透镜2控制其球差量(ΔL ′≤0.004 mm)，则同1) 分析，可看出其影响已很小，几乎可忽略。
4) 使用消像差单透镜时，若增加焦距长度必然使得光路变长及透镜口径增大，增大了平台体积及造价。
在下一步改进工作中，增加一个负透镜和正透镜。如图6所示，这样可以提高探测精度且不会增大光路[7]。
3 结 论
简介了大功率DL 垂直阵列巴条间准直光束指向精度问题及其对激光器垂直阵列输出光束的影响。采用单透镜远场探测系统对激光器远场光斑进行采集，结合光斑强度质心算法对实验室封装的连续输出2 kW DL 垂直阵列进行了测量，巴间准直光束指向精度±1.7 mrad ，并对该测量方法进行了分析讨论。DL 垂直阵列巴条间准直光束指向精度的测量为评价DL 阵列光束控制效果提供了依据，对提高大功率DL 阵列封装技术具有积极意义。 参考文献：
[1] Boucke K ，Jandeleit J ，Brandenburg W ，et al . Packaging and Characterization Equipment for High-Power Diode Lar Bars and
VCSELs [J]. Proc. of SPIE (S0277-786X)，2001，4285：165-171.
[2] Bachmann F ，Loon P ，Poprawe R. High-Power Diode Lar [G]. USA ：Springer Series in
Optical Sciences ，2007：40-45，
147-160.
[3] SU Zhou-ping ，LOU Qi-hong ，DONG Jing-xing ，et al . Beam quality improvement of lar diode array by using off-axis
external cavity [J]. Opt Express (S1094-4087)，2007，15(19)：11776-11780.
[4] Talbot C L ，Frie M E J ，Wang D ，et al . Linewidth reduction in a large-smile lar diode array [J]. Appl Opt (S0003-6935)，
2005，44(29)：6264-6268.
[5] 郭林辉，唐淳，武德勇，等. 大功率二极管激光线阵的“smile ”测量方法 [J]. 强激光与粒子束，2009，21(2)：196-197.
GUO Lin-hui ，TANG Chun ，WU De-yong ，et al. Measurement of “smile”for high-power diode lar array [J]. High Power Lar and Particle Beams ，2009，21(2)：196-197.
[6] Sturm V ，Treusch H G ，Loon P. Cylindrical microlen for collimating high-power diode lars [J]. Proc of SPIE
(S0277-786X)，1997，3097：717-726.
[7] 陈庆灏，徐仁芳，彭增云，等. 用于激光核聚变装置的光路自动准直 [J]. 光学学报，1995，15(5)：531-533.鸡胸肉蛋白质
CHEN Qing-hao ，XU Ren-fang ，PENG Zeng-yun ，et al . Ud for lar nuclear fusion's equiping is automatically [J]. Journal of Optical ，1995，15(5)：531-533.
[8] 王薇，陈怀新. 基于优化探测窗口的光斑质心探测方法 [J]. 强激光与粒子束，2006，18(8)：1249-1252.
WANG Wei ，CHEN Hai-xin. New method for centroid detecting of focal spot bad on optimizing detecting window [J]. High Power Lar Particle Beams ，2006，18(8)：1249-1252.
图6 组合透镜远场探测系统示意图
Fig.6 Principle of far-field detect intensity distribution of the beam with combined lens
