激光器近场VS远场光斑

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激光器的近场光斑,一般在激光器出口附近测量,或瑞利长度内。使用光斑分析仪进行测量。对于过大或过小的光斑,一般会使用缩束,扩束,或者CCTV成像镜头、显微物镜配合工业相机或光斑分析仪进行测量。

下图为使用普通光斑分析仪直接测量光斑的结果:


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如果光斑太大时,可以使用缩束器或者CCTV lens对光斑缩小或成像,成像相当于对光斑亮度进行均匀采样。如下图所示,成像镜头前加入一个Diffuser是为了能够达到均匀采样的目的,使光斑立体角内的能量分布更均匀。

 

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       或者小光斑使用显微物镜对光源端面成像,如下配置:



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对于半导体激光器而言,近场一般是对LD的发光端面进行成像,使用具有一定放大倍数的显微镜头+光斑分析仪或工业相机,来观察端面的发光情况,不同发光点之间亮度区别,端面污染损伤情况,及smile效应等。




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上图是对bar条端面成像的近场光斑图,第一幅图具有smile效应,图二不具有smile效应。Smile效应一般是芯片贴片时应力或焊锡的原因导致发光点不在一条直线上。

激光器远场一般使用焦点光斑来表示。远场信息通过发散角内能量分布来表示。对于近轴光束,即发散角不太大的情况下,针对大多数激光器自由空间准直输出的光束而言,其聚焦后的焦点大小和光束发散角大小成线性关系。准直输出的光斑和焦点之间是空域和角谱频域(发散角)的关系。焦点尺寸对焦距f的归一化数值就是最大发散角。

从几何光学上很容易推导出来,焦点和发散角的关系,感兴趣的读者可自行推算下。

从准直光束大小,焦点大小、焦距、与BPP关系,也可推导出,焦点大小和准直光束发散角之间的关系。


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从衍射光学来看,使用菲涅尔衍射积分,也比较容易证明准直光束和焦点之间的傅里叶变换关系。焦点光斑为准直光斑的傅里叶变化后发散角内的能量分布图。

从焦点信息来看,角谱从零到最大半径,说明对于大多数激光器具有丰富的发散角成分。如果使用Axicon锥形镜,会引起光束较大的倾斜角度(相对于准直光束),这个角度可以在角谱上,即焦平面上作为一个载波频率将焦点从中心到外缘整体平移一个锥形镜导致的角度,角度大小就为径向的环形光斑的空心直径。这样就得到了一个环形光斑。


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上图虚线和实线对比,能够看到Axicon楔角引起的发散角平移量,将光斑在焦平面径向平移为环形。


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上图的环形光斑,在经过透镜的傅里叶变换后,可以得到一个更为锐利的小环形焦斑。我们可以根据需要,设计不同的环形光斑,或特殊能量分布的光斑。从所需要的焦点能量分布形式做反向傅里叶变换得到特殊的近场光斑,和普通的近场光斑对比,就可得到所需要的特殊镜片设计信息,一般应为ROE镜片。

 


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