红外与激光工程
2023, 52(3): 20220446
阮仁杰 1,2,3曹银花 1,2,3王晓帆 1,2,3马艳红 1,2,3[ ... ]兰天 1,2,3,*
1 北京工业大学 北京市激光应用技术工程技术研究中心， 北京 100124
2 北京工业大学 跨尺度激光成型制造技术教育部重点实验室， 北京 100124
3 北京工业大学 材料与制造学部 先进半导体光电技术研究所， 北京 100124
为解决现有点阵结构光投影装置中准直透镜会导致较强的零级衍射而造成投影点阵光强分布不均匀的问题，提出了一种基于底发射垂直腔面发射激光器的片上点阵光投影装置结构，并给出了衍射光学元件设计思路。首先对目标光场进行光强调整和坐标变换，在无准直透镜情况下利用基于瑞利-索末菲衍射积分的Gerchberg-Saxton改进算法获得片上衍射光学元件的相位分布，并最终对该点阵投影装置的投影效果进行评估。结果表明：在衍射光学元件设计过程中采用高斯光束作为光源时，该结构能更好地抑制零级衍射，获得光强分布更加均匀的投影点阵。此外，该结构不仅可省去透镜的安装，减小投影装置尺寸，还可通过流片工艺实现光源和衍射光学元件一体化集成。
衍射光学 片上结构光 瑞利-索末菲衍射积分 衍射光学元件 Gerchberg-Saxton算法 底发射VCSEL diffractive optics on-chip structured light Rayleigh-Sommerfeld diffraction integral diffractive optical element Gerchberg-Saxton algorithm bottom-emitting VCSEL 红外与激光工程
2022, 51(6): 20210640
潘建宇 1,2,3曹银花 1,2,3闫岸如 1,2,3关娇阳 1,2,3[ ... ]王智勇 1,2,3
1 北京工业大学 北京市激光应用技术工程技术研究中心，北京 100124
2 北京工业大学 跨尺度激光成型制造技术教育部重点实验室，北京 100124
3 北京工业大学 材料与制造学部先进半导体光电技术研究所，北京 100124
针对大功率半导体激光器散热系统展开设计研究。首先，对水冷散热系统的流体通道中的冷却液进行了流体分析，结果表明在传统矩形流体通道结构中，冷却液在进液口处和弯度较小处容易产生湍流空洞。湍流空洞不仅会产生空泡腐蚀效应，还会导致靠近热源的上层冷却液填充不充分，降低系统的散热效率；其次，在传统流体通道结构的基础上，提出了一种非典型宏通道结构的优化模型。采用有限元分析软件Fluent分别对散热模型的分布和激光器模块器件的分布进行了数值模拟，流场结果表明优化模型中冷却液流动时没有湍流空洞产生，散热系统可靠性更高，冷却液在流体通道的上层填充效果更好，同时解决了传统模型中流体在局部流道中流速缓慢的问题，使散热系统具备更良好的散热性能。接着又通过温度场仿真结果得出，优化模型搭建的散热系统工作时激光器最高温度可降低2 ℃，且热源1上温度更均匀，热源3上温度降低1.25 ℃；最后，在激光器满功率输出情况下进行的散热实验对比，获得的实验数据与仿真结果基本一致。
散热系统 半导体激光器 Fluent 流场分析 温度场分析 cooling system semiconductor laser Fluent flow field analysis temperature field analysis 红外与激光工程
2021, 50(12): 20210037
1 北京工业大学材料与制造学部 先进半导体光电技术研究所, 北京 100124
2 中国电子科技集团公司第五十三研究所, 天津 300308
在半导体激光器的光纤耦合系统中, bar条的各发光点指向偏差(偏向角)会恶化光束整形效果, 显著降低光纤耦合效率。针对该现象提出利用引入修正角的楔形整形镜补偿发光点的指向偏差, 改善激光束的指向性和光束整形效果。通过ZEMAX软件模拟与实验验证,在光纤耦合系统中使用引入修正角后的楔形整形镜片, 其整形效果显著改善, 测量的光束参数积(BPPs)在快轴和慢轴方向分别为7.25 mm·mrad和5.05 mm·mrad, 聚焦光斑为148 μm×135 μm(包含90%能量)。该系统将单个bar条耦合进芯径200 μm、数值孔径(NA)0.2的光纤中, 在注入电流60 A时, 获得稳定输出功率53 W, 对应电-光转换效率为47%, 光纤耦合效率为87%, 相对于使用修正前的楔形整形镜片, 光纤耦合效率提高了7%。
半导体激光器 楔形整形镜 光束整形 光纤耦合 diode laser bars wedge-shaped lens beam shaping fiber coupling
北京工业大学 激光工程研究院, 北京 100124
随着单管半导体激光器光纤耦合技术的不断发展, 为了进一步提高多单管半导体激光器的输出功率, 本文采用曲面空间排列方式对多个单管半导体激光器进行合束研究, 使更多数量的单管半导体激光器耦合进入同一光纤中, 获得更高的输出功率。文中利用ZEMAX光学设计软件进行仿真模拟, 将34只波长为975 nm、输出功率为10 W的单管半导体激光器合束聚焦后耦合进芯径200 μm、数值孔径0.22的光纤中, 获得耦合效率91.76%、输出功率312.03 W的激光系统。实验中, 将17只单管半导体激光器耦合进芯径200 μm、数值孔径0.22的光纤中, 在10.5 A的驱动电流下, 输出功率为100.5 W, 系统耦合效率为68.46%。
单管半导体激光器 曲面空间合束 光纤耦合 single emitter diode laser curved surface spatial combination ZEMAX ZEMAX fiber coupling
北京工业大学 激光工程研究院, 北京 100020
为满足实际工程、生产应用中专业及非专业人员对故障光纤激光器快速修理、修复的需要, 研究了一种能够实现快速故障模式及故障原因分析系统。首先, 采集实际使用与实验中损坏激光器的故障模式与故障原因记录为数据样本。接着, 利用故障树与故障模式影响及危害性分析模型建立光纤激光器扩展故障树, 即构建起故障模式与故障原因的对应关系。然后, 利用贝叶斯网络分析并得出各故障模式与故障原因的先验概率与后验概率计算方法, 再使用Python语言编写交互式窗口, 并完成对数据库数据的调用与相应概率计算。最后, 通过交互式界面输出当前故障对应的可能故障原因及发生概率, 从而实现对光纤激光器故障的快速分析。程序模拟耗时小于1 s, 模拟结果与统计结果相吻合, 基本满足指导相关人员对故障快速排查并修理的要求。
光纤激光器 故障树 故障模式影响及危害性分析 fiber laser fault tree analysis failure mode effect criticality analysis Python Python
北京工业大学 激光工程研究院, 北京 100124
聚光系统的聚光效率和能量均匀性直接影响单位模组的发电效率。本文研究设计出高倍聚光模组系统, 该系统主要包括菲涅耳透镜和球冠平顶微棱镜。采用中心波长修正法进行菲涅耳透镜的设计, 并通过Zemax仿真模拟设计出球冠平顶微棱镜。最后通过Zemax模拟, 决定选取两侧面夹角α的角度为117°, 平顶到球面的间隔g为0.2 mm, 球冠平顶微棱镜的曲率半径R为10 mm。聚光系统整体的聚光效率达99.8%, 能量均匀度为0.812, 并进行实验验证, 得出实际聚光效率为83.1%。
聚光效率 能量均匀性 菲涅耳透镜 球冠平顶微棱镜 concentration efficiency energy uniformity Fresnel lens spherical flat microprism Zemax Zemax
北京工业大学 激光工程研究院, 北京 100124
为了压缩MOPA全光纤调Q激光器脉冲宽度, 对谐振腔基本参数进行了研究。首先, 根据速率方程理论推导出脉冲宽度的表达式, 通过数值解建立表达式参数与脉冲宽度的关系。然后, 分析增益光纤长度、腔镜输出透过率、Q开关性能等谐振腔基本参数对全光纤调Q种子源输出脉冲宽度的影响并通过实验来逐一验证结果。最后, 通过优化的参数搭建全光纤调Q激光器, 在重复频率为20 kHz时, 得到脉冲宽度为54 ns、平均功率为0.86 W的种子激光输出。在重复频率为100 kHz时, 对脉宽142 ns、平均功率为1.66 W的种子光进行预放大和功率主放大, 最终得到平均功率120 W、脉宽180 ns、光谱宽度为0.67 nm的稳定脉冲激光输出。通过提升AOM性能、减小增益光纤长度等参数优化方式构建调Q光纤激光器, 能有效压缩谐振腔内脉冲宽度。
脉冲宽度 全光纤 调Q pulse width all-fiber Q-switched
北京工业大学 激光工程研究院, 北京 100124
采用外建激光谐振腔, 在低于原芯片阈值的电流激励下对LDA的每个发光点进行单独测量, 从而分析整个半导体激光阵列(LDA)的smile效应。实验中利用镀膜反射率大于半导体前腔面的外腔镜形成外腔半导体激光器。在外腔中插入曲面平行于p-n结的柱面镜, 使只在光轴上的发光点与外腔镜形成外腔激光器, 降低该发光点的激光阈值, 从而使其在正常的阈值以下的电流激励下输出激光, 在平行于p-n结的方向移动柱面镜, 可以逐个对半导体激光器中的发光点进行选择测量, 从而获得LDA smile效应的测量值。测量中的低电流激励产生的热量对芯片寿命没有影响, 对LDA的发光点的单个测量也避免了其他发光点对CCD的影响。
半导体激光器 外腔反馈 smile效应 diode laser external cavity feedback smile effect
研制了一款基于蓝光激光二极管的平板显示背光模组，该模组主要包括导光模块以及导光板两部分。研究过程中采用导光模块与导光板分开设计优化的方案，设计了传播过程中横向各部分规则分布、纵向各部分一致分布的一款导光模块以及出光分布均匀的导光板网点，并采用激光打点方式制作出导光板样品。理论模拟得到整个模组的照度均匀度可以达到89.02%，边角平均值可以达到102.74%。实验测量得到照度均匀度可达到79.61%，边角平均值可达到100.10%。该背光模组结构简单，可以为液晶显示提供背光照明。
几何光学 平板显示背光模组 激光背光模组 区域分割法 导光模块 导光板
