大功率半導(dǎo)體激光器陣列的應(yīng)用

大功率半導(dǎo)體激光器陣列的應(yīng)用

1lda光束整形技術(shù)新型半射器矩陣（lda）具有能耗高、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、能耗低、可靠性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易制方便等優(yōu)點(diǎn)。隨著核電站產(chǎn)業(yè)和其他相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，lda在光電工程的許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為當(dāng)前光學(xué)科學(xué)的中心支柱。LDA的應(yīng)用方式通?？煞譃閮煞N:一種作為抽運(yùn)固體激光器的抽運(yùn)源,另一種是直接利用LDA的輻射。無論哪種應(yīng)用方式,都對(duì)LDA的光束質(zhì)量有很高要求。但與其他激光器相比,LDA的光束質(zhì)量較差,光束發(fā)散角很大,且存在本征像散,遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布呈橢圓高斯型。為滿足應(yīng)用要求,通常必須對(duì)LDA光束進(jìn)行光束整形處理,即對(duì)光束采取準(zhǔn)直、消像散和圓化等整形手段,使光束發(fā)散角、光束形貌、光功率密度分布等滿足實(shí)際使用要求。如激光焊接等應(yīng)用要求將LDA光強(qiáng)分布由橢圓高斯型整形成空間高密度高斯或均勻分布。隨著LDA的應(yīng)用日趨廣泛,其光束整形問題逐漸成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1~16],有各種各樣的光束整形方法用于提高LDA的光束質(zhì)量。最簡(jiǎn)單的LDA光束整形方法當(dāng)屬(微)柱透鏡整形方法,能較有效地完成LDA光束準(zhǔn)直功能。此后針對(duì)LDA的多節(jié)構(gòu)造,日本Yamaguchi等于20世紀(jì)90年代初提出用梯度折射率透鏡(GRIN)透鏡陣列按LDA節(jié)分割、整形的方法,使光束在準(zhǔn)直的同時(shí)改善了光功率密度分布。瑞士的Graf等發(fā)明的光纖轉(zhuǎn)換器很好地繼承了分割整形的優(yōu)點(diǎn),而Ullmann等[19~23]提出的LDA整形方法也都基于這種按節(jié)分割并用透鏡準(zhǔn)直的思想。Yamaguchi等還提出多棱鏡陣列光束整形方法,將光束按LDA節(jié)分割、旋轉(zhuǎn)和重排,均衡了LDA快慢軸(見后節(jié))上的光束質(zhì)量,提高了光功率密度。其后英國(guó)Clarkson等發(fā)明的雙發(fā)射鏡整形技術(shù),德國(guó)夫瑯和費(fèi)實(shí)驗(yàn)室Ehlers等[26~31]發(fā)明的階梯鏡組整形技術(shù),美國(guó)Appollo公司提出的棱鏡組整形技術(shù)和中科院上海光機(jī)所提出的微片棱鏡堆整形技術(shù)等都不同程度地借鑒了這種思想,其重點(diǎn)都在于光強(qiáng)分布和光功率密度分布的改善。Leger等則從光束傳播的另一角度提出LDA光束整形的新方法,即閃耀光柵光束整形方法,該方法實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜波形的變換。其后周崇喜等發(fā)揚(yáng)了這種光柵整形的方法,并得到能量更集中,尺寸更小的聚焦光斑。而Skeren等小組則發(fā)展了微光學(xué)光束整形的另一分支——衍射光學(xué)元件光束整形[37~40],Heinemann和Pawlowski等課題組則使用了折/衍射混合元件進(jìn)行該方面的深入研究。如上所述,LDA的光束整形方法已在激光應(yīng)用學(xué)科中形成研究熱潮,但各種方法和技術(shù)互有優(yōu)劣,并缺乏有效的分類和綜述。本文從光束傳播的角度,將這些整形方法分為幾何光學(xué)整形方法和衍射光學(xué)整形方法兩大類進(jìn)行詳細(xì)闡述,并以光束形貌和光功率密度分布的改善為重點(diǎn),分析和比較各類整形方法的優(yōu)點(diǎn)和不足,以期得到優(yōu)化的解決方案。2lda光束整形典型的LDA結(jié)構(gòu)(見圖1)具有以下特征[42~46]:發(fā)光區(qū)尺寸為1□mm×10mm;光束存在本征像散,出射光束非回旋對(duì)稱,其遠(yuǎn)場(chǎng)的強(qiáng)度分布呈橢圓高斯型;光束在垂直和平行于P-N結(jié)兩方向(俗稱快軸和慢軸)上的發(fā)散角很大且不對(duì)稱,快軸方向發(fā)散角一般為36°~40°(半峰全寬),慢軸方向一般為8°~12°(半峰全寬);快軸方向光束質(zhì)量接近衍射極限,為基橫模高斯分布,慢軸方向光束質(zhì)量極差,為多模厄米-高斯分布。LDA激光束的光束質(zhì)量一般采用光束質(zhì)量因子M2予以表征,它正比于光束的束腰d和發(fā)散角□的乘積:。由LDA結(jié)構(gòu)可知,LDA光束在快慢兩軸上的光束質(zhì)量相差極大,通常Mx2>1000,My2≈1。LDA光束整形的目的就是準(zhǔn)直光束,改善慢軸方向的光束質(zhì)量(即減小My2),并改善光功率密度分布。LDA光束整形通常分為三部分,即準(zhǔn)直、整形和耦合。第一部分就是將LDA光束準(zhǔn)直成準(zhǔn)平行光,該部分功能由快軸準(zhǔn)直器和慢軸準(zhǔn)直器組合完成,快軸準(zhǔn)直器通常為數(shù)值孔徑較大的微柱非球面鏡,慢軸準(zhǔn)直器則是對(duì)應(yīng)于LDA節(jié)的微柱透鏡,LDA光束經(jīng)準(zhǔn)直后,快慢軸上的發(fā)散角很小且近似相等,但光束寬度仍有較大差異;第二部分的目的就是均衡快慢軸的光束質(zhì)量,因此通常需要進(jìn)行光束變換,在發(fā)散角前后基本不變的前提下,完成束寬整形和光場(chǎng)分布的變換;第三部分通常與應(yīng)用要求相結(jié)合,如醫(yī)療、焊接等領(lǐng)域就要求將光束耦合進(jìn)光纖后才能使用。本文的重點(diǎn)在于第二部分,其設(shè)計(jì)前提為準(zhǔn)平行光入射,討論重點(diǎn)是LDA光功率密度的改善。光束整形的關(guān)鍵技術(shù)主要包括:1)由于LDA光束在快軸方向上的發(fā)散角很大,用于準(zhǔn)直快軸發(fā)散角的微柱透鏡的數(shù)值孔徑必須很大,同時(shí)微透鏡與LDA的幾何尺寸及兩者之間的距離都很小,因此微柱透鏡的設(shè)計(jì)、加工、安裝和調(diào)整都非常關(guān)鍵;2)LDA光束為多模分布,回旋對(duì)稱性較差,整形的同時(shí)保證效率難度很大;3)在需要將光束耦合進(jìn)光纖的應(yīng)用中,為提高耦合效率,必須使整形之后光束的光束質(zhì)量因子小于光纖的光束質(zhì)量因子;4)在特殊應(yīng)用場(chǎng)所,必須設(shè)計(jì)LDA光束整形器使其得到特殊光場(chǎng)分布。3不同類型的lda光束整形方法按照設(shè)計(jì)理論的不同,LDA光束整形可分為兩大類,即基于幾何光學(xué)原理的幾何型LDA光束整形方法和基于衍射光學(xué)原理的衍射型LDA光束整形方法。3.1慢軸方向光束質(zhì)量因子的變化基于幾何光學(xué)的LDA光束整形方法是根據(jù)光束的折反射原理,建立輸入光與輸出光間的映射關(guān)系方程,通過透鏡、棱鏡、反射鏡及非球面鏡等的合理使用,并通過光束入射角、介質(zhì)折射率、厚度及相對(duì)位置等參量的準(zhǔn)確控制,完成光束整形過程。由于通常的光學(xué)成像系統(tǒng)不能改變光束的質(zhì)量因子,幾何光學(xué)光束整形的實(shí)質(zhì)是通過LDA光束的分割、旋轉(zhuǎn)和重排(見圖2),使慢軸方向的光束質(zhì)量因子減小至原先的1/n倍,同時(shí)使快軸方向的光束質(zhì)量因子增大至原先的n倍,即犧牲快軸方向的光束質(zhì)量,以提高慢軸方向的光束質(zhì)量,達(dá)到兩方向上的光束質(zhì)量均衡。幾何光學(xué)整形方法可進(jìn)一步細(xì)分為折射整形法、反射整形法和折/反射混合整形法。3.1.1慢軸方向功能模塊整形折射式整形方法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,它利用光學(xué)元件對(duì)光束的一次或多次折射實(shí)現(xiàn)光束均衡(即使Mx2和My2近似相等),是最早應(yīng)用于LDA光束的整形方式之一。能實(shí)現(xiàn)折射式LDA光束整形的光學(xué)元件很多,包括GRIN透鏡陣列、微柱透鏡陣列[19~23]、棱鏡組合、光學(xué)玻璃板片堆、分束堆置折射器等。GRIN透鏡整形技術(shù)是由日本鋼鐵公司的Yamaguchi等發(fā)明的,它采用GRIN透鏡陣列將光束按照LDA節(jié)分割準(zhǔn)直,然后聚焦。該方法沒有重排子光束,但它通過透鏡陣列對(duì)每個(gè)LDA分別準(zhǔn)直而提高了LDA的光束填充因子,結(jié)果使慢軸方向的光束質(zhì)量得以提高。該方法由于較早提出按照LDA節(jié)分割準(zhǔn)直的整形思想而受到重視。武漢凌云光電有限公司發(fā)明的線形光束折射整形器繼承了分割整形的思想,如圖3所示,該整形裝置由兩組正交放置的光學(xué)玻璃板片堆組成。整形功能模塊11將入射光束10沿慢軸方向分割,并沿快軸方向錯(cuò)位排列。功能模塊12則進(jìn)一步偏折光束16使其沿慢軸方向進(jìn)行重排,從而使出射光變成具有一定形狀的光束13。作為整形關(guān)鍵部件的功能模塊11和12分別由多個(gè)光學(xué)玻璃板片14和15緊密排列而成,各板片之間各自具有一定傾角□1和□2。光學(xué)玻璃板片14的片數(shù)M等于光束10分截的節(jié)數(shù),它的傾角□1對(duì)應(yīng)于每節(jié)光束10的入射角,其厚度對(duì)應(yīng)于每節(jié)光束10的厚度。光學(xué)玻璃板片15的片數(shù)N等于光束16截成的節(jié)數(shù),它的傾角□2對(duì)應(yīng)于每節(jié)光束16的入射角,其厚度對(duì)應(yīng)于第一次重排后相鄰兩節(jié)光束16之間的距離。板片14和15每片厚度可以相等也可以不相等,它們的長(zhǎng)度則保持一定。每個(gè)板片造成的光束偏移量可以通過公式進(jìn)行計(jì)算。這樣,就可以通過調(diào)節(jié)光束到達(dá)各板片時(shí)的入射角□和各板片的長(zhǎng)度L來控制光束在快軸水平和慢軸方向的位移量d,從而使線形或橢圓形光束變成圓形分布的光束。2003年,美國(guó)的Faithcloth提出用分束堆置折射器實(shí)現(xiàn)光束整形。它首先使用微棱鏡分別對(duì)快軸和慢軸光束進(jìn)行準(zhǔn)直,然后通過矩形立方玻璃偏移快軸方向光束,再經(jīng)過與光軸方向呈45°放置的直角平板對(duì)移動(dòng)慢軸和快軸光束,最后通過偏振耦合系統(tǒng)完成光束尺寸轉(zhuǎn)換,該系統(tǒng)成功地將1000W的激光能量耦合入纖徑為1□m,數(shù)值孔徑為0.2的光纖中。3.1.2階梯鏡組光束整形法反射式整形方法引入全反光學(xué)元件,使LDA光束經(jīng)過若干次反射后,快慢軸方向上的光束寬度發(fā)生變化,以至滿足使用要求。該方法包括光纖轉(zhuǎn)換器、雙反射鏡、階梯鏡組[26~31]等。光纖轉(zhuǎn)換器是最簡(jiǎn)單的光束整形技術(shù),它采用光纖陣列將光束按LDA橫模進(jìn)行分割,將光纖在靠近LDA的一端排成線陣,另一端則排成束狀,利用光纖的內(nèi)反射將光束圓化。該方法使用簡(jiǎn)單,但光纖對(duì)準(zhǔn)過程較為繁瑣,整形效率不高。雙反射鏡整形技術(shù)則是采用兩個(gè)高反平面鏡,使其相距很近,相互平行,且在平行于鏡面的兩方向上相互錯(cuò)位,從而將光束按照鏡間錯(cuò)位距離分割,分段重排,實(shí)現(xiàn)光束整形。該方法能有效保持光束亮度,但體積較大,裝配復(fù)雜。階梯鏡組光束整形方法由德國(guó)夫朗和費(fèi)激光技術(shù)所發(fā)明,該方法采用階梯反射鏡將光束按照鏡面尺寸分割、旋轉(zhuǎn)和重排,能有效均衡LDA快慢軸方向上的光束質(zhì)量。如圖4所示,該整形裝置是由兩組完全相同的階梯反射鏡構(gòu)成,每組都由N個(gè)高反射率反射鏡組成。第1組階梯鏡每個(gè)鏡面都繞慢軸傾斜45°,相鄰鏡面在沿光束傳播方向上的間隔距離為常數(shù)d,該常數(shù)d與快軸方向的準(zhǔn)直寬度和單個(gè)鏡面的寬度相等。第2組階梯鏡與之類似,且兩組階梯鏡的鏡子都一一相對(duì)。經(jīng)快軸準(zhǔn)直后的線形光束入射到第1組階梯鏡的反射面上時(shí),會(huì)被這些鏡面沿慢軸分割為N份,實(shí)現(xiàn)第一次光束重排;重排后的光束沿快軸方向反射,再經(jīng)過第2組階梯鏡反射,實(shí)現(xiàn)第二次光束重排。第一次重排的結(jié)果是分割后的數(shù)節(jié)光束在光束傳播方向上實(shí)現(xiàn)不同量的平移;第二次重排的結(jié)果是實(shí)現(xiàn)光束在另一個(gè)方向上的平移。經(jīng)過階梯鏡組的分割和重排后,原先沿慢軸方向排列的線形光束變成沿快軸方向排列的矩形光束,且在光傳播方向上光場(chǎng)分布接近均勻分布。由于整形前后光束發(fā)散角不變,而快慢軸方向上的光束寬度產(chǎn)生了變化,因此平衡了快慢軸上的光束質(zhì)量因子。該裝置的光-光效率可達(dá)85%,光斑尺寸小于5mm×0.8mm,功率密度為20kW/cm2。Stefano等在階梯鏡組的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),將反射鏡的擺放位置和方向作適當(dāng)變化,使各子光束之間的光程差恒定,從而提高了光束亮度。牛崗等利用該整形技術(shù)和偏振合束及波長(zhǎng)合束技術(shù)成功地將波長(zhǎng)不同的LDA進(jìn)行混合,并將LDA光束耦合進(jìn)纖經(jīng)400□m,數(shù)值孔徑為0.22的單光纖中,其耦合效率為60%。3.1.3lda光束整形折/反射混合整形方法采用棱鏡和反射鏡的各種組合,使光束經(jīng)過若干次折射和反射后,光場(chǎng)分布發(fā)生改變,光束質(zhì)量得以改善。該方法的典型方式包括多棱鏡陣列和棱鏡組等。美國(guó)ApolloInstruments公司提出的棱鏡組整形方法是最具代表性的折/反射混合整形方法,該方法利用由棱鏡組組成的光束整形器中的棱鏡組的折反射將LDA光束在慢軸方向上按照微鏡尺寸分割成許多段后在快軸方向重排,結(jié)果光束慢軸上的光束質(zhì)量因子被減小n倍,而快軸上增加n倍。圖5為棱鏡組光束整形的其中一種實(shí)現(xiàn)形式,整形器件由兩個(gè)棱鏡組組成,兩個(gè)棱鏡組相互正交,并且每個(gè)棱鏡組中的每片棱鏡都以斜邊為基準(zhǔn),依次按一定間距錯(cuò)位放置。出射自LDA的線形光束經(jīng)過準(zhǔn)直后從第一個(gè)棱鏡組的斜邊入射,在各片棱鏡中反射兩次后從斜邊出射,這樣,線形光束在慢軸方向按照棱鏡厚度被分成很多段,同時(shí)由于棱鏡片有錯(cuò)位,出射光束段也順次產(chǎn)生錯(cuò)位。然后出射光進(jìn)入第二個(gè)棱鏡組,通過同樣的原理在第二個(gè)棱鏡組中完成兩次全內(nèi)反射后從斜邊出射。由于整形前后光束發(fā)散角變化很小,而快慢軸方向的尺寸分別增加到原先的n倍和減小到原先的1/n,因此,從LDA出射的線形光束被整形成在快慢兩方向上的光束質(zhì)量因子都近似相等的光斑,從而平衡了兩方向上的光束質(zhì)量。利用該方法實(shí)現(xiàn)LDA光纖耦合產(chǎn)品已經(jīng)商品化,其亮度高于1mW/(cm2·str),并創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)的亮度記錄。用兩組光楔(或折射透鏡)進(jìn)行光束分割和重排也可得同樣的整形光斑。3.2衍射面法改善lda光束質(zhì)量衍射型LDA光束整形方法是基于光波的干涉和衍射原理,通過調(diào)整衍射元件的高度、深度、寬度等參量,使LDA光束經(jīng)過衍射面后,傳播方向和能量分布等產(chǎn)生變化,達(dá)到改善光束質(zhì)量的目的。衍射光學(xué)整形方法可進(jìn)一步細(xì)分為純衍射型和折/衍射混合型光束整形方法。3.2.1集成等特點(diǎn)的光束整形技術(shù)近年來,使用衍射光學(xué)元件進(jìn)行激光束空間域整形的技術(shù)發(fā)展很快,該技術(shù)能成功地將橢圓高斯光束變換為均勻圓光束,并能將橢圓像散光束準(zhǔn)直成圓且消像散。普遍意義的衍射光學(xué)光束整形包含全息和計(jì)算全息元件、衍射光柵[34~36]以及二元或多級(jí)表面浮雕型衍射元件[37,38,39,40,55,56]等多類光學(xué)元件。后者為狹義上的衍射光學(xué)元件,它以多臺(tái)階面型近似連續(xù)表面(見圖6),具有體積小、重量輕、易于復(fù)制、可實(shí)現(xiàn)多功能集成等特點(diǎn),特別適用于半導(dǎo)體激光器陣列的光束整形,并有助于實(shí)現(xiàn)耦合光學(xué)系統(tǒng)的小型化、陣列化和集成化。J.R.Leger等在1992年提出的LDA光束整形技術(shù)是衍射型光束整形的典型例子,其光學(xué)實(shí)現(xiàn)如圖7所示。首先,將LDA均分成N個(gè)子單元,每個(gè)子單元包括M個(gè)小激光器。然后,分別用N個(gè)雙焦距的偏心菲涅爾透鏡來對(duì)這些子單元的出射光束進(jìn)行變換。這些透鏡在同一平面內(nèi)矩形密接。經(jīng)過變換后,N個(gè)子單元的出射光束由線陣排列變?yōu)榫匦闻帕?且快慢軸方向的發(fā)散角得到了壓縮,通過選擇合適的器件參量,可以使每束光在快慢軸方向的光斑大致相同。由于此時(shí)各光束的傳播方向偏離了系統(tǒng)的光軸方向,所以仍需要進(jìn)行校正。用N個(gè)特殊的衍射光學(xué)元件來同時(shí)校正光束在快慢軸方向的傳播方向,使之偏折回系統(tǒng)的光軸方向。這些衍射光學(xué)元件位于同一平面,每個(gè)器件相當(dāng)于透鏡和棱鏡的組合。經(jīng)過上述變換后,各出射光束近似為平行光,輸出光場(chǎng)截面為矩形,且填充比較高,因而光強(qiáng)均勻性較好。與成像系統(tǒng)光束整形不同的是,衍射光學(xué)整形系統(tǒng)可以針對(duì)每個(gè)子單元進(jìn)行變換,而不是針對(duì)每束光進(jìn)行變換的,因此也適用于線陣中發(fā)光區(qū)個(gè)數(shù)較多的情況。目前,由于材料和加工工藝方面的局限,應(yīng)用純衍射方法完成的商用LDA光束整形裝置還鮮有報(bào)道,已報(bào)道的有中科院成光所制作的閃耀光柵陣列型整形器件,其整形后的快慢軸光參量積在10mm·mrad,經(jīng)聚焦后能與芯徑為200□m,數(shù)值孔徑為0.22的多模光纖耦合。3.2.2干預(yù)和校正光束在y方向的偏轉(zhuǎn)折/衍射光束整形器是指由傳統(tǒng)折射元件和衍射元件混組,并完成整形功能的光學(xué)系統(tǒng)。它包含兩類情況,第一類情況中折射元件和衍射元件相互獨(dú)立,如1992年R.Goering等提出的LDA光束整形器;第二類情況是折射和衍射面位于同一透鏡的前后表面,如E.Pawlowski等發(fā)明的折/衍混合透鏡。圖8為德國(guó)R.Goering等設(shè)計(jì)的以相互獨(dú)立的折射和衍射元件組成的LDA光束整形系統(tǒng),它用于端面抽運(yùn)固體激光器。圖中x、y、z方向分別為慢軸、快軸和光束傳播方向。光束整形的第一步是用GRIN微柱透鏡對(duì)快軸方向進(jìn)行準(zhǔn)直,同時(shí)實(shí)現(xiàn)光束在y方向的偏轉(zhuǎn)。讓GRIN透鏡在x-y平面內(nèi)沿z軸旋轉(zhuǎn)一定的角度,這樣線陣中的各光束通過此透鏡后不僅能實(shí)現(xiàn)快軸方向的準(zhǔn)直,還會(huì)在y方向偏轉(zhuǎn)不同的角度,經(jīng)過一段距離的傳輸后這些光束就會(huì)y方向分開。然后,用一個(gè)消色差的雙膠合透鏡對(duì)線陣中的各光束成像,使各光束在x-z平面內(nèi)偏轉(zhuǎn)。此透鏡相當(dāng)于一個(gè)偏轉(zhuǎn)器,使得經(jīng)過快軸準(zhǔn)直后向在Y方向偏轉(zhuǎn)的光束通過此透鏡后同時(shí)向x方向偏轉(zhuǎn),在透鏡的焦平面處,這些光束在x方向彼此重合,可以通過控制光束的偏轉(zhuǎn)角度,使此位置處光束同時(shí)在y方向分開,就能得到一個(gè)近似方形的二維光場(chǎng)分布,提高了光場(chǎng)的對(duì)稱性,但此時(shí)各光束的傳播方向都偏離了光軸方向,還需進(jìn)行光束的方向校正。校正部分的工作由透射式閃耀光柵陣列完成,光柵陣列校正光束在x方向的傳播方向,使之平行于z軸。閃耀光柵相當(dāng)于一個(gè)反偏器,使各光束通過它后傳播方向回到z軸方向。最后,采用雙膠合透鏡校正光束在y方向的傳播方向,同時(shí)實(shí)現(xiàn)慢軸方向的準(zhǔn)直,經(jīng)該透鏡后,快慢軸方向的光束均被準(zhǔn)直,傳播方向平行于z軸,這樣就得到了一個(gè)低發(fā)散,矩形截面的輸出光場(chǎng),實(shí)現(xiàn)光束整形目的。2005年,Pawlowski等發(fā)明的折/衍混合柱透鏡由位于前表面的衍射面和后表面的柱面構(gòu)成,如圖9。該透鏡的衍射面由多個(gè)子面構(gòu)成,分別用于光束預(yù)準(zhǔn)直、整形和裝配監(jiān)控等功能。該透鏡能很好地校正LDA的光學(xué)像差和缺陷(如“smile”效應(yīng)),并具有生產(chǎn)成本低、制造精度高、裝配和調(diào)試方便等特點(diǎn)。但由于該專利沒有相應(yīng)的實(shí)施案例,故不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)該設(shè)計(jì)的有效性。4lda光束整形方法存在的問題折射式光束整形器結(jié)構(gòu)緊湊,透過率高,穩(wěn)定性好,工藝成熟,可同軸使用,安裝和調(diào)試比較方便;透鏡表面經(jīng)增透處理后,透過率較高。但該方法通常只能處理規(guī)則對(duì)稱的小數(shù)值孔徑光束,難以有效均衡快慢軸光束質(zhì)量因子相差較大的LDA光束。階梯鏡組反射式光束整形器能有效保持光束亮度,整形效率較高。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊堅(jiān)固,靈活性好,整個(gè)系統(tǒng)機(jī)械元件易于集成,不需要昂貴的元件。全反射結(jié)構(gòu)無色差,有利于降低溫度補(bǔ)償?shù)碾y度,且能有效減小光學(xué)系統(tǒng)的軸向尺寸和重量。但該方法需要補(bǔ)償光程差,微階梯鏡鏡面的加工和高折射率膜層的實(shí)現(xiàn)都很困難;且系統(tǒng)光軸進(jìn)行了兩次90°的空間偏轉(zhuǎn),造成整形元件在空間上彼此獨(dú)立,給調(diào)節(jié)和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來不便;最后,由于鏡子表面的光束分割,將造成光能的衍射損失。棱鏡組整形方法綜合了折射和反射的特點(diǎn),結(jié)構(gòu)調(diào)整簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),微鏡數(shù)不受LDA節(jié)數(shù)限制,重排光斑較好。但是該方法依然存在許多不足:(1)光束分割受棱鏡厚度限制,整形光束亮度無法進(jìn)一步提高;(2)分割光束的排列距離也受到棱鏡厚度的限制,無法調(diào)整分割光束間的距離;(3)棱鏡加工和側(cè)面鍍膜難度大;(4)折反次數(shù)較多,勢(shì)必造成光斑的彌散,致使傳輸效率減小,激光輸出亮度降低;(5)光軸偏轉(zhuǎn)次數(shù)更多,致使光學(xué)系統(tǒng)尺寸很大,同樣存在調(diào)節(jié)不便,組裝操作麻煩等問題;(6)該系統(tǒng)還可能產(chǎn)生額外像差。衍射光學(xué)元件原則上能實(shí)現(xiàn)任意不規(guī)則面型透鏡,能突破傳統(tǒng)折反射元件光束整形的理論限制,實(shí)現(xiàn)其難以具備的光學(xué)功能。衍射光學(xué)元件具有體積小、重量輕、特征尺寸小、理論衍射效率高、色散矯正能力好、設(shè)計(jì)自由度高、材料可選性廣等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)由于衍射光學(xué)元件的加工采用與大規(guī)模集成電路類似的光刻工藝,因此與LDA間的集成化較高,可將其刻寫在同一基片上。此外,衍射光學(xué)元件能同軸使用,無波長(zhǎng)依賴性,具有能集成化、