摘 要 几十年来激光光束质量的整形技术与质量评价方法不断丰富扩充，先进的技术和科学的方法为激光光束质量提供了更为有效的保障。本文针对半导体激光器，总结论述了其光束质量整形与质量评价的方法和技术，旨在为相关工作提供参考借鉴。
【关键词】半导体激光器 激光光束 质量整形 质量评价
自上个世纪七十年代以来，半导体激光器被广泛应用于科研、工业等领域，具有轻巧、高效、稳定的优点，尤其是高功率半导体激光器的泵浦产生的光纤激光光束质量好、功率大，受到了越来越多的关注。然而半导体激光器才存在内在的缺陷，限于其工作原理，产生的激光水平、垂直方向的光束质量存在很大差异，束腰位置不一致，平行于p-n结方向的慢轴方向光束质量差，这极大的制约了半导体激光器的应用，必须采取有效的整形技术解决这一问题，满足接收元件对光束质量的要求。下文将详细介绍半导体激光器光束质量的整形与评价方法。
1 半导体激光器光束质量整形方法
新世纪以来，为了更好的满足信息社会信息传输、处理、存储的需求，半导体激光器向高速宽带、大功率、短波长等方向发展，并已取得了一系列成果。激光技术的应用中光束质量至关重要，无论是医学临床应用，还是军事应用、工业应用，都对光束质量要求较高，光束质量直接影响激光器性能的发挥，更影响到应用的水平和范围。基于半导体激光器光束质量差、功率密度低的考虑，必须采油切实有效的整形技术来加以改善。半导体激光器光束整形系统的关键在于慢轴光束质量的改善和快轴光束的准直，光束整形的基本原理是切割、旋转、重排光束，减小慢轴上的光参数积，来平衡快慢轴的光参数积，并借助微柱透镜等手段来调整快轴光束保证准直。现今存在的整形技术种类繁多，下文将列举较为先进、常用的技术方法，分析其原理和特点。
1.1 光纤转换器技术
光纤转换器是最为简单的一种光束整形技术，其技术原理是用光学阵列分割光束，光纤靠近半导体激光器的一端按线阵列另一端按束状排列。这种技术方法在输入端连续排列光纤，在输入输出端面镀AR膜，用微柱透镜在快轴方向准直后耦合进光纤，以确保光束空间发散均匀。采用这种方法对半导体激光器进行光纤耦合实验，实验结果表明其耦合效率高达75%。该方法的优点在于能够简便的实现线阵输出光场的对称化，光束经光纤传输后的输出强度也得到匀化，传输过程中的损失较小，其缺点在于整形系统体积很难压缩，半导体激光器与光纤的对比也很难。
1.2 渐变折射率透镜阵列技术
该技术采用透镜阵列对光束进行分割准直再聚焦，虽然没有重排子光束，然而通过透镜阵列提高了填充因子，达到了减小慢轴方向光参数积进而提高光束质量的目的。这种技术的优点在于提出了按LDA节分割准直的思想，缺点在于整形后快慢方向的光束质量差异仍较大，光束分布不够均匀。
1.3 阶梯反射镜技术
阶梯反射镜技术是用非球面微柱透镜对光束快轴方向进行准直，然后采用两组阶梯透镜将光斑沿着慢轴方向分割，再将光束沿着快轴方向对齐，最后用宏观柱透镜对慢轴方向准直。该方法能够有效改善光束质量的均衡性，但局限性在于光轴有两次90°改变，阶梯镜空间上独立，系统调整难度大，且多次折叠后平面镜尺寸太小很难加工，平面镜间的错位区可能漏光。针对这些问题，可以对三次分割场合的前组阶梯镜中间平面镜宽度缩小，同时增大两边平面镜宽度，另外尽可能缩小后组阶梯镜中间平面镜厚度，同时扩大两边平面镜厚度，这有助于进一步提高整形效率和整形稳定性。
除上述三种技术方法外，还有多棱镜阵列技术、异型棱镜整形技术、双反射镜整形技术、倾斜45°柱透镜阵列技术、折射整形法-光束矩形化系统、二元光学整形等技术，这些方法的整形思想大体都是先快轴方向准直，然后慢轴方向切割、重排光束提高二维光场分布的对称性，最后慢轴方向准直，从而提高光束的对称性、填充性，降低发散性。
2 半导体激光器光束质量评价方法
对于半导体激光器光束质量的评价诊断，对于半导体激光器的实际应用至关重要。以往评价光束质量的方法通常是对远场发散角、斯特列尔比、聚焦光斑尺寸、环围能量、衍射极限倍数等进行评价。由于半导体激光器输出光束的特点，通常需要进行光束整形才能应用，因此评价光束质量也可以借助评价整形难易程度，即可以从准直代价来衡量光束质量，下面来详细讲解该评价方法。
激光光束准直难易程度需要考虑三个要素，分别是与结平面平行的光源宽度、垂直方向的发散角、像散特性参量。光源宽度和像散特性参量对准直透镜的角度会影响准直光束发散角，角度增大会降低准直效果，而发散角大为保证耦合效率需要使用大数值孔径透镜，对准直透镜制作工艺提出很高的要求，也会增加准直代价。具体评价方法可以用光源宽度（L）与发散角（θ）、像散特性参量（As）乘积来计算准直代价，结合光束参量综合评价光束质量。考虑到发散角对准直代价影响远大于光源宽度和像散特性参量，采用发散角高次幂加入计算公式即L·θk·As（经理论计算k取7较为理想）。
3 结语
综上所述，光束质量关系到其能否投入到实际应用中，对于半导体激光器而言，光束需借助整形技术提高光束质量，通过光束质量评价。本文概况叙述了几种常见的光束整形方法，并介绍了一种十分新颖的评价光束质量的方法，希望能够起到抛砖引玉的作用。
参考文献
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作者单位
天津核工业理化工程研究院 天津市 300180