過(guò)去20年間，半導(dǎo)體激光器在醫(yī)療、工業(yè)和通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，為第五代通信技術(shù)和先進(jìn)制造業(yè)提供了革命性的強(qiáng)大平臺(tái)。半導(dǎo)體激光器因其體積小、重量輕、可靠性高、調(diào)制便捷等優(yōu)勢(shì)而日益普及。

然而，受限于激光二極管的發(fā)射機(jī)制，其光束質(zhì)量較差，無(wú)法直接應(yīng)用，需通過(guò)光束整形技術(shù)處理。但多光束整形光學(xué)元件的封裝常因?qū)?zhǔn)偏差而存在風(fēng)險(xiǎn)，光學(xué)器件的錯(cuò)位誤差會(huì)對(duì)激光性能造成重大隱患。隨著半導(dǎo)體激光器功率的逐步提升，熱管理技術(shù)的要求也日趨嚴(yán)格。

為此，本文首先綜述了半導(dǎo)體激光器陣列的光束整形技術(shù)；其次，分析并總結(jié)了陣列半導(dǎo)體激光光學(xué)器件對(duì)準(zhǔn)偏差的影響，并提出可行解決方案；最后，對(duì)高功率半導(dǎo)體激光器的熱管理研究進(jìn)展進(jìn)行了歸納。本文旨在幫助讀者全面、廣泛地理解半導(dǎo)體激光封裝的技術(shù)難點(diǎn)，并認(rèn)知相應(yīng)的解決對(duì)策。

 

1.引言：半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

自20世紀(jì)60年代第一臺(tái)半導(dǎo)體激光器問(wèn)世以來(lái)，高輸出功率、高可靠性和小型化始終是半導(dǎo)體激光器的發(fā)展目標(biāo)。經(jīng)過(guò)40年發(fā)展，其性能已得到顯著提升。高功率半導(dǎo)體激光二極管（HPLD）逐漸成為現(xiàn)代激光材料加工、激光再制造、醫(yī)療及國(guó)防安全等領(lǐng)域的核心部件。圖1展示了半導(dǎo)體激光器的不同應(yīng)用場(chǎng)景及對(duì)應(yīng)參數(shù)。

在光電領(lǐng)域，半導(dǎo)體激光器已成為現(xiàn)代通信技術(shù)的主流，是光纖通信系統(tǒng)中唯一實(shí)用的光源。此外，半導(dǎo)體激光器被廣泛應(yīng)用于光盤(pán)存儲(chǔ)，其存儲(chǔ)密度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)存儲(chǔ)方式。遠(yuǎn)紅外可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的光譜分析技術(shù)，可用于環(huán)境氣體分析和大氣污染監(jiān)測(cè)。半導(dǎo)體激光器還普遍應(yīng)用于激光報(bào)警器、激光打印機(jī)和激光電視等領(lǐng)域。

 

圖1：半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用統(tǒng)計(jì)

在材料加工領(lǐng)域，千瓦級(jí)高功率半導(dǎo)體激光器已在金屬切割領(lǐng)域得到成熟應(yīng)用。在汽車(chē)工業(yè)的金屬焊接工藝中，它能實(shí)現(xiàn)高速、高質(zhì)量的焊接成型。激光熔覆是半導(dǎo)體激光器的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)應(yīng)用，可減少粉末摻雜并降低熱輸入，從而進(jìn)一步提升熔覆工藝的經(jīng)濟(jì)效益。

在醫(yī)療領(lǐng)域，半導(dǎo)體激光器可用作激光手術(shù)刀實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)高效切割，其創(chuàng)口愈合速度較傳統(tǒng)手術(shù)刀更快。它還應(yīng)用于選擇性光熱療法，該技術(shù)通過(guò)納米材料標(biāo)記腫瘤細(xì)胞，再利用半導(dǎo)體激光產(chǎn)生局部高溫實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)腫瘤治療。同時(shí)，在整形外科、眼科和理療等醫(yī)療領(lǐng)域，半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用同樣表現(xiàn)出色。

 

圖2：激光二極管陣列的發(fā)光機(jī)制與固有缺陷：(A)激光二極管光場(chǎng)分布示意圖；(B)雙方向光學(xué)參數(shù)失衡與像散現(xiàn)象；(C)激光二極管陣列發(fā)光狀態(tài)。

在軍事領(lǐng)域，半導(dǎo)體激光器可用于激光制導(dǎo)、激光測(cè)距、激光雷達(dá)乃至高能激光武器。其體積小、功率高、效率好以及優(yōu)異的紅外波段隱蔽性，使之成為最具競(jìng)爭(zhēng)力的軍用激光光源。

半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用日益廣泛，這也對(duì)其輸出性能提出了更高要求。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的高功率半導(dǎo)體激光泵源主要有兩種類(lèi)型：?jiǎn)伟l(fā)射型和巴條發(fā)射型。然而，由于光束質(zhì)量較差，這兩種類(lèi)型都難以直接滿足應(yīng)用需求。如圖2所示，其快慢軸方向的光學(xué)參數(shù)不平衡，且存在固有像散，光束遠(yuǎn)場(chǎng)分布呈橢圓形光斑，難以直接耦合進(jìn)光纖應(yīng)用。對(duì)于半導(dǎo)體激光二極管陣列（LDA）而言，這一問(wèn)題更為突出。

隨著應(yīng)用領(lǐng)域的日益精細(xì)化，對(duì)激光功率和光束輸出質(zhì)量的要求進(jìn)一步提升。千瓦級(jí)高功率半導(dǎo)體激光器的需求快速增長(zhǎng)，而無(wú)論是單管發(fā)射源還是巴條發(fā)射源都無(wú)法單獨(dú)實(shí)現(xiàn)如此大的功率輸出。因此，通常需要以陣列形式對(duì)光源進(jìn)行疊加來(lái)提升輸出能量。

對(duì)于單管陣列半導(dǎo)體激光源，通常采用多個(gè)發(fā)射器水平排列的封裝形式；而巴條陣列半導(dǎo)體激光源則多采用多個(gè)巴條縱向堆疊的封裝方式。無(wú)論采用何種封裝形式，就泵浦光源的發(fā)光機(jī)制而言，都需要先對(duì)光束進(jìn)行準(zhǔn)直，以壓縮快軸和慢軸方向的發(fā)散角。

對(duì)于單管陣列半導(dǎo)體激光器，還需通過(guò)光束整形將多路光束合成為一束；而對(duì)于巴條陣列半導(dǎo)體激光器，則需通過(guò)分束與重組技術(shù)來(lái)平衡光束在兩個(gè)方向上的光學(xué)參數(shù)。只有通過(guò)光束整形技術(shù)，使泵浦光的光斑尺寸和發(fā)散角滿足高效耦合進(jìn)光纖的條件后，才能進(jìn)一步投入應(yīng)用。

針對(duì)不同的光源參數(shù)，光束整形光學(xué)器件的表面形狀和封裝位置需進(jìn)行專門(mén)設(shè)計(jì)。采用衍射極限公差設(shè)計(jì)制造的光束整形器件可忽略表面公差的影響，但在裝配載荷、溫度變化或結(jié)構(gòu)應(yīng)力作用下導(dǎo)致的光學(xué)器件失準(zhǔn)問(wèn)題，仍不可避免。

這些光學(xué)器件的失準(zhǔn)會(huì)引起光斑尺寸、發(fā)散角乃至光路等光束參數(shù)的改變，可能導(dǎo)致整形效果無(wú)法達(dá)到預(yù)期，嚴(yán)重影響激光器的輸出性能。半導(dǎo)體激光器不僅需要實(shí)現(xiàn)高功率輸出，其緊湊型結(jié)構(gòu)和輕量化設(shè)計(jì)同樣是關(guān)鍵技術(shù)要求，這無(wú)疑給激光散熱技術(shù)帶來(lái)了更大的壓力。

由于激光的熱電效應(yīng)和光束熱輻射作用，多千瓦級(jí)激光器難以維持良好的工作溫度。高溫環(huán)境會(huì)嚴(yán)重影響高功率陣列半導(dǎo)體激光器的閾值電流、電光轉(zhuǎn)換效率、中心波長(zhǎng)、輸出功率及使用壽命。此外，前文提及的光學(xué)器件失準(zhǔn)問(wèn)題多數(shù)也由激光器高溫引發(fā)。因此，要保障激光器的高性能輸出與高可靠性，必須為高功率陣列半導(dǎo)體激光器配備先進(jìn)的散熱解決方案。

 

2.光束整形技術(shù)研究

前文分析表明，半導(dǎo)體激光器存在光束質(zhì)量差、發(fā)散角大及遠(yuǎn)場(chǎng)不對(duì)稱等問(wèn)題，需通過(guò)光束整形技術(shù)改善后方可投入應(yīng)用。下文首先詳細(xì)綜述光束準(zhǔn)直技術(shù)的研究進(jìn)展，繼而分別針對(duì)單管陣列半導(dǎo)體激光器與巴條陣列半導(dǎo)體激光器，系統(tǒng)歸納其對(duì)應(yīng)的光束合成、分束與重塑方法的研究成果。

● 2.1光束準(zhǔn)直技術(shù)
一般來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體激光器的準(zhǔn)直過(guò)程分為兩個(gè)步驟：首先沿快軸方向進(jìn)行準(zhǔn)直，隨后沿慢軸方向準(zhǔn)直。最常用的快軸準(zhǔn)直鏡（FAC）主要包括“D”型柱面透鏡、“O”型柱面透鏡和反“D”型柱面透鏡。慢軸準(zhǔn)直鏡（SAC）的工作原理和表面形狀與FAC類(lèi)似，區(qū)別在于其用于壓縮慢軸方向的光束，這使得SAC的尺寸和安裝方向與FAC有所不同。兩種透鏡都需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景優(yōu)化尺寸和曲率半徑，以實(shí)現(xiàn)最佳光束準(zhǔn)直效果。

除常規(guī)柱面鏡外，近年來(lái)不斷涌現(xiàn)的新型準(zhǔn)直器件不僅具備更優(yōu)的準(zhǔn)直效果，同時(shí)兼具制造與封裝優(yōu)勢(shì)。有學(xué)者提出了一種低成本非球面準(zhǔn)直鏡制備方法：通過(guò)在特殊設(shè)計(jì)的基板上滴加紫外（UV）固化負(fù)性光刻膠，利用靜電力控制液滴表面形態(tài)，最終固化形成符合設(shè)計(jì)要求的理想透鏡結(jié)構(gòu)（其制備原理如圖3A所示）。該非球面準(zhǔn)直器可將光束快軸方向發(fā)散角壓縮至3mrad，且生產(chǎn)成本顯著降低。

 

圖3：創(chuàng)新型準(zhǔn)直器件：(A)UV固化膠準(zhǔn)直器的制備工藝；(B)橢球面準(zhǔn)直透鏡的模型與封裝形式；(C)基于分區(qū)數(shù)目的可變曲率半徑慢軸準(zhǔn)直鏡

有的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種環(huán)氧樹(shù)脂橢球面準(zhǔn)直鏡（如圖3B所示），該器件能有效校正輻照度分布，將光束快軸發(fā)散角壓縮至1°以內(nèi)。其創(chuàng)新性在于可直接集成于激光二極管上進(jìn)行封裝，不僅簡(jiǎn)化了制造工藝流程，更使整形系統(tǒng)體積得到顯著優(yōu)化。

其他研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出了一種適用于半導(dǎo)體激光巴條的可變曲率半徑慢軸準(zhǔn)直鏡（SAC）設(shè)計(jì)方法（如圖3C所示），該技術(shù)可將慢軸發(fā)散角壓縮至6mrad。此新型SAC的核心優(yōu)勢(shì)在于其參數(shù)自適應(yīng)特性——相較于針對(duì)特定光源設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)準(zhǔn)直鏡，該器件能適配不同光源參數(shù)，在顯著拓展應(yīng)用范圍的同時(shí)有效降低制造成本。

 

圖4：集成化準(zhǔn)直透鏡方案：(A)快慢軸準(zhǔn)直鏡一體化光學(xué)器件；(B)單透鏡雙方向光束發(fā)散角準(zhǔn)直方案；(C)巴條光束雙方向發(fā)散角準(zhǔn)直透鏡組

集成化準(zhǔn)直器件研究取得重要突破，可實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器快慢軸光束同步準(zhǔn)直，大幅簡(jiǎn)化準(zhǔn)直系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并降低透鏡封裝復(fù)雜度。其中，有研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的陣列半導(dǎo)體激光集成準(zhǔn)直器（結(jié)構(gòu)如圖4A所示），通過(guò)將快軸準(zhǔn)直鏡（FAC）陣列與慢軸準(zhǔn)直鏡（SAC）陣列融合為單一光學(xué)組件，有效解決了傳統(tǒng)陣列激光光束整形系統(tǒng)透鏡數(shù)量過(guò)多的問(wèn)題，使封裝誤差發(fā)生概率顯著降低。

還有研究團(tuán)隊(duì)采用飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)研制出雙軸雙曲面微型準(zhǔn)直器（結(jié)構(gòu)如圖4B所示），該創(chuàng)新設(shè)計(jì)通過(guò)單片透鏡即可實(shí)現(xiàn)單發(fā)射極激光光束的快慢軸同步準(zhǔn)直。實(shí)驗(yàn)表明，該器件能分別將快軸發(fā)散角從60°壓縮至6.9mrad，慢軸發(fā)散角從9°壓縮至32.3mrad。此項(xiàng)技術(shù)具備三大優(yōu)勢(shì)：其一，制造工藝簡(jiǎn)單；其二，避免光束在多重準(zhǔn)直鏡間的多次反射與吸收損耗；其三，進(jìn)一步降低了封裝誤差率。

另外，研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的半導(dǎo)體激光二極管陣列準(zhǔn)直器（結(jié)構(gòu)如圖4C所示）創(chuàng)新融合了上述兩項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)單片陣列式雙軸雙曲面準(zhǔn)直鏡即可實(shí)現(xiàn)陣列光束的整體準(zhǔn)直。該設(shè)計(jì)從根本上解決了傳統(tǒng)準(zhǔn)直系統(tǒng)存在的封裝誤差問(wèn)題，其技術(shù)突破主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：首先，將快慢軸準(zhǔn)直功能集成于單一光學(xué)元件；其次，采用陣列化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多光束同步處理；最后，通過(guò)曲面優(yōu)化設(shè)計(jì)顯著降低光學(xué)損耗。

● 2.2單發(fā)射極陣列半導(dǎo)體激光器的光束合成技術(shù)
為在保證高輸出功率的同時(shí)維持高亮度輸出，高功率單發(fā)射極陣列半導(dǎo)體激光器需將多光路合成的光束尺寸最小化。為此，光束整形系統(tǒng)通常采用空間合成、偏振耦合及光纖束技術(shù)，將多路光束疊加合成為單一光束。有研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用階梯式排布設(shè)計(jì)，將多個(gè)單發(fā)射極光源集成為緊湊型單元。

 

圖5：(A)基于單管器件的空間-偏振復(fù)合光束合成系統(tǒng)；(B)56單元單管陣列光源的光束合成系統(tǒng)

研究團(tuán)隊(duì)采用11面反射鏡與偏振合束器構(gòu)成的合成系統(tǒng)，將10個(gè)同構(gòu)發(fā)射極的陣列光束合成為單一光束（結(jié)構(gòu)如圖5A所示）。經(jīng)匯聚系統(tǒng)壓縮光斑尺寸后，最終實(shí)現(xiàn)光纖耦合輸出。由50個(gè)發(fā)射極組成的激光系統(tǒng)可輸出1900W功率，并能高效耦合至500μm芯徑光纖。

還有研究團(tuán)隊(duì)基于相似原理設(shè)計(jì)的高功率單發(fā)射極陣列激光模塊（結(jié)構(gòu)如圖5B所示），通過(guò)偏振合束將56個(gè)發(fā)射極分為兩列集成。光束經(jīng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)對(duì)稱化處理后，由多片式物鏡最終聚焦，其輸出功率可達(dá)500W，耦合光纖芯徑200μm，光電轉(zhuǎn)換效率超過(guò)60%。

●  2.3巴條陣列半導(dǎo)體激光器的光束合成技術(shù)
與單發(fā)射極泵浦源不同，巴條泵浦源在快慢軸方向的光束參數(shù)積（BPP）存在近1400倍的差異。為改善其光學(xué)性能，第一階段需將準(zhǔn)直后的巴條光束分割為N個(gè)子光束，經(jīng)旋轉(zhuǎn)重組后，快軸方向BPP增大N倍，慢軸方向BPP減小N倍，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)參數(shù)平衡（整形原理如圖6A所示）。

遵循這一技術(shù)路徑，多種光束重組技術(shù)相繼涌現(xiàn)。有研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的階梯式微型分束透鏡（原理如圖6B所示），可在不損失亮度的前提下將200W光束耦合至300μm光纖。其他研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了一種基于積木式階梯棱鏡的分割重組系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案（結(jié)構(gòu)如圖6C所示），該系統(tǒng)由梯形棱鏡與平行四邊形棱鏡組構(gòu)成，成功將8條巴條光束耦合進(jìn)200μm光纖，實(shí)現(xiàn)272 W輸出功率與85%的耦合效率。

有研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的合成系統(tǒng)（結(jié)構(gòu)如圖6D所示）融合偏振合成與空間重組技術(shù)，成功將1 kW光束耦合至365μm光纖。該系統(tǒng)由條紋反射鏡板、階梯反射鏡及偏振合束組件構(gòu)成。對(duì)此，其他研究團(tuán)隊(duì)采用偏振合束器使兩個(gè)巴條堆疊激光模塊在慢軸方向的束寬減半，隨后通過(guò)石英片堆棧重組快軸光路以消除光束間隙。該設(shè)計(jì)最終實(shí)現(xiàn)12個(gè)巴條發(fā)射的激光耦合至800 μm光纖，耦合效率達(dá)87.5%，輸出功率突破1400 W（光束分合系統(tǒng)工作原理如圖6E所示）。

 

圖6：(A)光束分束重組原理圖；(B)微臺(tái)階鏡分束重組系統(tǒng)的側(cè)視與俯視圖；(C)梯形棱鏡光束壓縮原理圖；(D)1000W級(jí)光束整形系統(tǒng)示意圖；(E)雙堆疊激光器1400W功率光束合成示意圖

● 2.4光束整形技術(shù)研究總結(jié)
光束整形技術(shù)的發(fā)展，有力推動(dòng)了陣列半導(dǎo)體激光器的性能提升。通過(guò)整形技術(shù)實(shí)現(xiàn)的千瓦級(jí)、百微米光纖輸出激光，顯著拓展了激光應(yīng)用的功率上限；而高耦合效率輸出則在保證可靠性的同時(shí)降低了系統(tǒng)能耗。然而，為維持優(yōu)異光束質(zhì)量，系統(tǒng)仍不可避免地需要集成大量整形器件。盡管學(xué)界已致力于簡(jiǎn)化整形器件的結(jié)構(gòu)與數(shù)量，但目前收效尚不顯著。多光學(xué)器件的封裝不僅增大了激光系統(tǒng)體積，限制了部分場(chǎng)景應(yīng)用，更在封裝過(guò)程中引入了額外的對(duì)位誤差風(fēng)險(xiǎn)（該問(wèn)題將在下節(jié)詳述）。由此可見(jiàn)，光束整形系統(tǒng)的優(yōu)化仍任重道遠(yuǎn)。

 

3.光學(xué)器件對(duì)準(zhǔn)偏差研究

如前述，封裝過(guò)程中的對(duì)準(zhǔn)偏差不可避免。每增加一個(gè)光束整形光學(xué)器件，其對(duì)準(zhǔn)偏差風(fēng)險(xiǎn)將顯著提升。本章旨在系統(tǒng)闡述該領(lǐng)域研究現(xiàn)狀，使讀者充分認(rèn)識(shí)對(duì)準(zhǔn)偏差影響的嚴(yán)重性：首先介紹半導(dǎo)體激光器對(duì)準(zhǔn)偏差的類(lèi)型與特征；繼而綜述陣列半導(dǎo)體激光光學(xué)器件對(duì)準(zhǔn)偏差影響的研究進(jìn)展；最后探討降低對(duì)準(zhǔn)偏差影響的可行性方案。

●3.1光學(xué)元件失調(diào)類(lèi)型
對(duì)于光學(xué)器件，失調(diào)可分為三類(lèi)：旋轉(zhuǎn)失調(diào)（也稱為傾斜）；光軸線性偏移（即偏心）；沿光軸線性偏移（即離焦）。如圖7A所示。當(dāng)聚焦光束照射在傾斜平板上時(shí)，光束焦點(diǎn)位置將在Y軸和Z軸上偏移。Y軸偏移量為d，Z軸偏移量為g（即像散）。像散量g的大小主要取決于聚焦光束發(fā)散角u和平板偏移角θ。

偏移量d的大小還取決于平板的厚度和折射率。聚焦透鏡的傾斜會(huì)導(dǎo)致彗差（coma），這將顯著增大光斑尺寸。偏心是指激光光軸與透鏡光軸之間的平行相對(duì)位移。與傾斜類(lèi)似，偏心同樣會(huì)引起像彗差，并使光束偏離光軸。光學(xué)元件的偏心會(huì)直接導(dǎo)致聚焦光束無(wú)法耦合進(jìn)光纖，從而降低耦合效率。

離焦是指探測(cè)器或透鏡在光軸方向上的偏移，導(dǎo)致探測(cè)器與光學(xué)整形器件之間的軸向相對(duì)距離發(fā)生變化，從而造成圖像模糊和光斑尺寸增大，無(wú)法獲得預(yù)期的光學(xué)效果。這些對(duì)準(zhǔn)偏差會(huì)引發(fā)像差、像散和畸變等光學(xué)性能問(wèn)題，最終導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)性能下降。

●  3.2不同光學(xué)元件失調(diào)的影響效應(yīng)
前文已使讀者了解光學(xué)器件各類(lèi)失調(diào)導(dǎo)致的光學(xué)現(xiàn)象及其對(duì)光學(xué)特性的影響。本節(jié)將綜述不同激光光學(xué)元件（包括準(zhǔn)直器、反射鏡、會(huì)聚透鏡及光纖等）的失調(diào)對(duì)激光輸出性能影響的研究成果，具體內(nèi)容如下所述。

光束整形過(guò)程通常首先進(jìn)行準(zhǔn)直，再實(shí)施后續(xù)整形操作，因此研究準(zhǔn)直器失調(diào)影響具有重要意義。有研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)仿真分析研究了堆疊式半導(dǎo)體激光器快軸準(zhǔn)直鏡（FAC）與慢軸準(zhǔn)直鏡（SAC）失調(diào)的影響，結(jié)果表明：FAC在Y軸方向的線性誤差與X軸方向的旋轉(zhuǎn)誤差對(duì)耦合效率的影響最為顯著。

其他研究團(tuán)隊(duì)對(duì)準(zhǔn)直器失調(diào)影響進(jìn)行了定量研究。結(jié)果表明：當(dāng)快軸準(zhǔn)直鏡（FAC）在Y軸方向出現(xiàn)4μm線性偏移時(shí)，光學(xué)耦合效率將下降80%；若FAC在X軸方向存在0.5°的旋轉(zhuǎn)偏差，則會(huì)導(dǎo)致耦合效率降低40%。研究團(tuán)隊(duì)還運(yùn)用ABCD矩陣法則，推導(dǎo)出準(zhǔn)直器失調(diào)對(duì)激光強(qiáng)度分布影響的評(píng)估方程。

韋斯特法倫團(tuán)隊(duì)基于波動(dòng)光學(xué)理論建立了光束傳輸模型，通過(guò)該模型推導(dǎo)出快軸準(zhǔn)直鏡（FAC）失調(diào)對(duì)激光光束近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)功率密度分布特性畸變的影響規(guī)律?；诖四Ｐ图坝绊戧P(guān)系，研究人員開(kāi)發(fā)出FAC自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)算法。實(shí)驗(yàn)表明：采用該自對(duì)準(zhǔn)算法后，F(xiàn)AC工藝性能提升70%，線性失調(diào)量小于0.8μm，角度失調(diào)量低于0.01°。

反射鏡與會(huì)聚透鏡在激光光束合成和光斑尺寸壓縮中起關(guān)鍵作用，其精密對(duì)準(zhǔn)同樣至關(guān)重要。針對(duì)反射鏡，有研究團(tuán)隊(duì)采用矩陣方程法分析了反射鏡失調(diào)的影響，并推導(dǎo)出失調(diào)量與光束尺寸的定量關(guān)系。基于此研究成果，嚴(yán)氏團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了陣列半導(dǎo)體激光器反射鏡失調(diào)對(duì)耦合效率的影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：反射鏡旋轉(zhuǎn)失調(diào)對(duì)耦合效率影響尤為顯著，0.5°的旋轉(zhuǎn)偏差即可導(dǎo)致耦合效率下降95%。

針對(duì)會(huì)聚透鏡，有研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)仿真分析了透鏡失調(diào)對(duì)耦合效率的影響。結(jié)果表明：Y軸方向的線性失調(diào)影響最為顯著，Z軸方向次之，旋轉(zhuǎn)失調(diào)影響最小。其他研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，會(huì)聚透鏡在Z軸方向1.5 mm的線性失調(diào)會(huì)使光斑圓度下降50%。為降低會(huì)聚透鏡失調(diào)的影響，法達(dá)利團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型會(huì)聚透鏡組，即使在1-4 mm失調(diào)范圍內(nèi)仍能實(shí)現(xiàn)激光的高效耦合。

●  3.3降低失調(diào)影響的可行性探討
如前所述，半導(dǎo)體激光光學(xué)器件的失調(diào)主要由封裝誤差、溫度變化或結(jié)構(gòu)應(yīng)力引起。由于人工操作因素的影響，封裝誤差不可避免，降低該風(fēng)險(xiǎn)的途徑在于減少封裝元件數(shù)量；而結(jié)構(gòu)應(yīng)力則與光束整形器件的結(jié)構(gòu)尺寸和重量相關(guān)?；谶@兩方面要求，首選的可行性方案是采用衍射光學(xué)設(shè)計(jì)光束整形器件以減少封裝誤差。

傳統(tǒng)光束整形器件主要基于折射和反射原理設(shè)計(jì)，其組件大多結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但重量較大。而基于衍射光學(xué)設(shè)計(jì)的整形透鏡采用微電子加工技術(shù)，通過(guò)在光學(xué)材料基底表面蝕刻不同深度的浮雕微結(jié)構(gòu)，這些微結(jié)構(gòu)能調(diào)制入射光場(chǎng)的振幅或相位，從而呈現(xiàn)多樣化的光學(xué)特性。相較于傳統(tǒng)光學(xué)塑膠透鏡，衍射整形元件具有輕薄特性，更適應(yīng)當(dāng)前光學(xué)系統(tǒng)小型化、高集成度和陣列化的需求。通常，單個(gè)衍射整形元件即可同步實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳統(tǒng)整形透鏡的功能。

理論上，衍射光學(xué)元件可實(shí)現(xiàn)任意非規(guī)則曲面透鏡設(shè)計(jì)，突破傳統(tǒng)玻璃器件的理論極限，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)難以達(dá)成的功能，是一種極具應(yīng)用前景的激光光束整形技術(shù)。然而，其固有缺陷也不容忽視：光學(xué)器件的設(shè)計(jì)優(yōu)化難度顯著增加，且受當(dāng)前工藝水平限制，尚無(wú)法制備出理論上可實(shí)現(xiàn)任意波前變換的高效光束整形元件。

通常，半導(dǎo)體激光器的光學(xué)整形器件均采用UV膠進(jìn)行粘合封裝。當(dāng)激光器工作時(shí)，激光芯片的溫度會(huì)使光學(xué)器件急劇升溫，UV膠通過(guò)熱傳導(dǎo)和熱輻射發(fā)生形變，從而導(dǎo)致光學(xué)器件發(fā)生偏移。因此，第二種可行方案是通過(guò)降低UV膠的熱變形來(lái)減少光學(xué)器件的偏移偏差。根據(jù)熱膨脹原理可知，物體受熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生膨脹現(xiàn)象。

然而，由于UV膠與光學(xué)透鏡的熱學(xué)性能存在差異，這將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致熱應(yīng)變。因此，可以嘗試通過(guò)添加石英顆?；蚱渌麩崤蛎浵禂?shù)接近透鏡的微納米材料來(lái)改變UV膠的熱學(xué)性能，使透鏡與UV膠具有相近的熱學(xué)特性，從而降低熱應(yīng)力及偏移問(wèn)題。不過(guò)，該可行性方案目前仍僅為理論假設(shè)，其實(shí)際效果尚未通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證。相比之下，考慮通過(guò)降低高溫的產(chǎn)生來(lái)減少偏移更為現(xiàn)實(shí)。下文將綜述學(xué)者們?cè)诎雽?dǎo)體激光器熱管理研究中所做的努力。（未完待續(xù)）

作者：中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、湖南先導(dǎo)集團(tuán)股份有限公司

 

來(lái)源：榮格-《國(guó)際工業(yè)激光商情》

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