论文部分内容阅读
高功率半导体激光器(LaserDiode，LD)因为电光效率高、结构轻巧、性能稳定等优点而成为能量型激光应用领域不可缺少的重要部件。在使用LD时常须采用阵列式结构以达到更高功率，但由于LD阵列这种光源的特殊性(阵列式发光、高度像散)，采用传统光学系统设计理论已经不能够满足LD阵列与光纤耦合的光束变换系统的设计要求。本文围绕高功率LD阵列的光束变换系统开展了深入的研究工作，不仅在理论上提出了变换系统的分析和设计方法、原则和步骤，而且借助于本文发展的LD阵列光束变换理论，针对应用设计了几种不同的光束变换系统，并开展了实验研究工作，其研究成果对高功率LD的发展和应用具有重要的意义。本论文的研究内容如下：
在详细分析了高功率LD阵列的结构和输出特点的基础上，首先对阵列发光元件的光束质量评价方法进行了研究；然后对光学系统中光源、变换系统和接受元件的光产能匹配情况进行了详细的讨论，为解决三者之间的有效耦合问题提供了一种新思路；以此为基础，结合光学系统的光参数积匹配理论，围绕LD阵列的光束变换过程中保持光源的重要特性(亮度和功率)这一主题提出了系统优化设计应该采取的措施和步骤；针对无法采用传统光路进行LD阵列光束变换这一特殊情况，提出了采用正交对称光路结构的光束变换系统，并将系统中各部件按照功能分为准直子系统、光束质量均衡子系统(整形子系统)和聚焦子系统三个部分，对处于正交的快慢轴方向的光束变换公式进行了推导。
以上述理论为依据，对准直子系统中的快慢轴准直透镜进行了优化设计和误差分析；提出了改进型阶梯镜、折反棱镜堆、多平面镜组合、微光栅阵列、斜方棱镜阵列五种不同的光束质量均衡系统，可分别应用于相同或不同设计要求的场合；对聚焦系统的成像质量要求进行了分析。在讨论了单元技术后，针对不同规格的商用LD阵列，用本文的理论方法得出的公式首次分析了在保证光源亮度和功率的前提下、变换后的光斑与光纤耦合的极限问题。并就几个典型系统的光束变换进行了具体的设计，包括高效率条阵LD光纤耦合系统，高亮度条阵LD光纤耦合系统，面阵LD光纤耦合系统，用于板条激光器泵浦的面阵LD均匀线聚焦系统。
为验证理论方法和设计结果的正确性，我们对条阵LD与光纤耦合的三折叠光束变换系统开展了实验研究，取得了预期的结果。
本文的最后还就LD阵列光束变换系统的典型应用——光纤激光器和Nd：YVO4激光晶体的泵浦开展了实验研究，实验的成功充分证明了我们研制的LD光束变换系统的有效性和实用性。