高能半导体激光器发散角测试系统研究
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摘要
随着半导体激光器日益广泛的应用,对激光光束质量的评价越来越重要。激光的空间光束参量如光场分布、光束宽度、发散角、光束稳定性等是评价激光光束质量的主要参数,也是影响激光器应用效果的重要因素。其中,激光光束远场发散角是一个非常重要的参数,它表征出激光光束远距离传输时的光束发散特性,是评价激光光束质量的重要参数,也是设计光束准直系统的重要依据。
本文提出了高能半导体激光器发散角测试的新方法,即以激光光束传输到不同距离处的两条光斑外缘曲线的几何特征为基础来求激光器的发散角的方法,两条光斑外缘曲线分别由两个半径不同的半圆环探头旋转扫描探测获得。该方法解决了高能面阵半导体激光器发散角测试中面临的关键问题,即能够避免直接用探测器在激光束横截面上扫描时因激光器功率过大而损坏和烧毁探测器的问题。基于上述方法,本文研究了整个测试系统。测试系统主要包括上位机控制软件、USB通讯模块、单片机控制模块、数据采集模块及步进电机控制模块。测试时步进电机带动光接收探测装置在光束截面上进行光强检测,所测数据经过处理后得到光斑边界点,并以此为依据拟合出光斑形状并计算出光束发散角。整个系统由单片机控制探测装置进行扫描,探测,通过USB接口将数据传到PC机进行处理并计算出发散角。
利用所完成的测试系统和1000瓦的高能激光器阵列进行了一些试验。试验结果表明,该测试系统用于高能半导体激光器阵列发散角的测量是非常有效的,测量精度达到0.1°,可以应用到工程实际中。
As the extensive application of the semiconductor laser diode (LD), it becomes more and more important to evaluate the quality of laser beam. Laser's space beam parameters, such as intensity distributing, beam diameter, divergence angle, beam stability, are very important parameters for evaluating the quality of laser beam, which also deeply influence the laser application. Divergence angle is a significant parameter. It characterizes the beam propagation character and the beam ray-trace method in the distance. It is not only an important parameter to evaluate the quality of laser beam, but also an important foundation for beam collimating system design.
The paper presents a novel method for divergence angle measuring, based on geometry characteristic of two facula curves detected at the different positions to the laser. Facula curves are gained by two hemicycle probes' scan. Two probes have different radius. This testing method resolves a key problem that probe is shattered or burned because of high power while scanning across the beam section. The paper gives the whole system based on this method including computer software, USB interface, single-chip controller module, data collection module and step motor module. The step motor drives the light taking-in fitting to detect the power of laser across the beam section. The facula spot edges are acquired after data processing and then the divergence angle is calculated.
With the testing system and a 1000W high-power laser diode array, a series of experiments are conducted. It has been proved by the experiments that the testing system can be used to measure the divergence angle of high-power laser diode array and the accuracy is 0.1°, which is able to be applied in practice.
本文提出了高能半导体激光器发散角测试的新方法,即以激光光束传输到不同距离处的两条光斑外缘曲线的几何特征为基础来求激光器的发散角的方法,两条光斑外缘曲线分别由两个半径不同的半圆环探头旋转扫描探测获得。该方法解决了高能面阵半导体激光器发散角测试中面临的关键问题,即能够避免直接用探测器在激光束横截面上扫描时因激光器功率过大而损坏和烧毁探测器的问题。基于上述方法,本文研究了整个测试系统。测试系统主要包括上位机控制软件、USB通讯模块、单片机控制模块、数据采集模块及步进电机控制模块。测试时步进电机带动光接收探测装置在光束截面上进行光强检测,所测数据经过处理后得到光斑边界点,并以此为依据拟合出光斑形状并计算出光束发散角。整个系统由单片机控制探测装置进行扫描,探测,通过USB接口将数据传到PC机进行处理并计算出发散角。
利用所完成的测试系统和1000瓦的高能激光器阵列进行了一些试验。试验结果表明,该测试系统用于高能半导体激光器阵列发散角的测量是非常有效的,测量精度达到0.1°,可以应用到工程实际中。
As the extensive application of the semiconductor laser diode (LD), it becomes more and more important to evaluate the quality of laser beam. Laser's space beam parameters, such as intensity distributing, beam diameter, divergence angle, beam stability, are very important parameters for evaluating the quality of laser beam, which also deeply influence the laser application. Divergence angle is a significant parameter. It characterizes the beam propagation character and the beam ray-trace method in the distance. It is not only an important parameter to evaluate the quality of laser beam, but also an important foundation for beam collimating system design.
The paper presents a novel method for divergence angle measuring, based on geometry characteristic of two facula curves detected at the different positions to the laser. Facula curves are gained by two hemicycle probes' scan. Two probes have different radius. This testing method resolves a key problem that probe is shattered or burned because of high power while scanning across the beam section. The paper gives the whole system based on this method including computer software, USB interface, single-chip controller module, data collection module and step motor module. The step motor drives the light taking-in fitting to detect the power of laser across the beam section. The facula spot edges are acquired after data processing and then the divergence angle is calculated.
With the testing system and a 1000W high-power laser diode array, a series of experiments are conducted. It has been proved by the experiments that the testing system can be used to measure the divergence angle of high-power laser diode array and the accuracy is 0.1°, which is able to be applied in practice.
引文
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[2]何兴仁.半导体激光器发展现状与趋势.光电子技术与信息,1999.8,12(4):14-20。
[3]李庄.激光器的新进展激光生物学报,1998,7(2):135-137。
[4]曲宙,刘洋,刘博,大功率半导体激光器的军事应用,研究生论坛。
[5]王路威,半导体激光器的发展及其应用,成都大学学报(自然科学版),2003.9,22(3):34-38。
[6]曾小东,于常青,詹玉书,半导体激光器光波准直特性研究,光学学报,1999.3,19(3):295-298。
[7]陈军,黄鹏,利用CCD准确测量激光远场发散角,强激光与粒子束,1997.11,9(4):552-556。
[8]牛燕雄,汪岳峰,刘新等,激光束质量因子M~2及其测量,激光技术,1999.2,23(1):38-41。
[9]王慧,双探头式激光发散角测量系统的研究,哈尔滨工业大学,工学硕士学位论文,2006.6。
[10]杨国元 陈海清,刘彦等,激光引信中阵列激光二极管光束参数的测量方法,光学与光电技术,2005.12,3(6):57-60。
[11]孙定源,狭缝扫描法测量高斯光束光斑尺寸,物理实验,1991,11(5):240-241。
[12]朱召胜,吴庭万,脉冲固体激光束发散角的测试与研究,华南理工大学学报(自然科学版),2001.3,29(3):54-56。
[13]聂得真,张钦成,用偏振光干涉法测量激光发散角,量子电子学报,1989,6(3):279-282。
[14]沙先武,是度芳,陈长水等,BBO倍频法测定光束发散角,量子电子学报,2000.8,17(4):374-376。
[15]陈长水,谢建平,王佩琳,焦点刀口法测量巨脉冲激光的光束发散角,量子电子学报,2001.1,18(1):38-40。
[16]谢红云,安振锋,陈国鹰,大功率半导体激光器阵列,半导体技术,2003,28(4):33-36
[17]陈家壁,余重秀,张元芳等,激光原理及应用,电子工业出版社,2004.6.30
[18]董丽丽,许文海,张勋等,基于三层平板理论的LDA快轴发散角特性研究,激光与红外,2007.9,37(9):841-844
[19]杨国元,陈海清,刘彦,激光引信中阵列激光二极管光束参数的测量方法,光学与光电技术,2005,3(6):57-67
[20]雷肇棣,光电探测器原理及应用,物理,1994.04
[21]杨慧,李龙,12位AD转换器MAX1246MAX1247的原理及应用,甘肃教育学院学报,1999.7,13(3):32-38
[22]董里杨,浅谈步进电机的工作原理,科技信息,2007.8
[23]陈大林,任祖平,基于单片机的步进电机运行控制系统设计,伺服控制技术,2005.11
[24]陈阳,李希文,通用串行总线(USB)的特点和应用,应用与实践,2000.10:83-85
[25]刘炎,冯穗力,通用串行总线原理及接口设计,电子技术应用.2000,(12):56-59
[26]陈启美,王刚,丁传锁等,USB技术概况,电力自动化设备,2001.2,21(2):55-58
[27]陈源,裘正定,基于嵌入式系统的USB接口的设计,计算机工程与应用.2004:100-101
[28]萧世文,USB2.0硬件设计,清华大学出版社.2002
[29]徐林苗,辛红,南瑶等。激光束空域强度分布测试,应用光学,1995,16(6):40-44
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[35]孟文,唐纯谦,陈亚川,MCS-8098单片机在步进电机矩频特性测定中的应用,实用测试技术,1995.5(3):4-8
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