基于空间光调制器的半导体激光光束准直整形及应用研究
半导体激光器以其体积小、功率大、波长可调谐、易于调制等优点被广泛应用于大距离、高精度的干涉测量领域中。但是半导体激光器的出射光束具有发散角大、光强分布不均匀、存在本征像散等缺陷，不能直接用于干涉测量。由于基模高斯光束的准直性好、光斑形状对称、相位分布在瑞利距离内接近平面波，是一种较为理想的干涉光源模型，本论文基于空间光调制器，提出了一种依据复振幅调制原理的半导体激光光束整形方法，将半导体激光光束整形为无像散的基模高斯光束，以满足大距离干涉测量领域的应用要求。 论文介绍了半导体激光光束的整形方法以及基于空间光调制器的光束整形算法的国内外研究现状，设计了基于空间光调制器的半导体激光光束整形方案，提出了基于复振幅调制的半导体激光光束整形准直方法，利用复振幅调制算法设计光束整形全息图，将半导体激光光束整形为基模高斯光束，再根据半导体激光器的光场分布模型设计消像散全息图，补偿光束中存在的像散，最终将半导体激光光束整形为无像散的基模高斯光束。为了评估整形后光束的质量，使用双曲线拟合法测量整形后光束的M2因子，并根据测得的M2因子评价整形后光束与基模高斯光束的接近程度。设计了包含光束整形模块与光束质量分析模块的半导体激光光束整形系统，其中光束整形模块通过在空间光调制器上加载设计的整形全息图，将半导体激光光束整形为基模高斯光束，光束质量分析模块对整形后的光束质量评价参数进行测量，根据测得的束腰大小和束腰位置参数设计消像散全息图，将整形全息图和消像散全息图叠加，得到合成全息图，加载至空间光调制器，得到无像散的基模高斯光束。分别对两个模块进行了仿真分析，验证了光束整形原理与光束质量分析原理的正确性。 搭建了基于空间光调制器的半导体激光光束整形系统实验平台，并实验验证了本论文所提出方法的可行性。首先，分别在传输距离1m、5m、20m处，将半导体激光光束整形前和整形后的光斑图像做对比得，整形后的半导体激光光束发散角明显减小，光斑形状变得对称，初步验证了系统的可行性。其次，对整形后的光束做了光束质量分析实验，在空间光调制器上加载整形全息图后，半导体激光光束x和y方向的M2因子分别达到了1.034和1.043，与HeNe激光器相当，光束质量有明显改善，但光束中的像散为1694.662mm。通过叠加消像散全息图，光束的像散减小到了0.903mm，两个方向上的M2因子基本不变，分别为1.016和1.063。实验结果表明，整形后的光束接近理想的无像散基模高斯光束，可用于大距离、高精度的干涉测量领域。 将光束整形系统应用于大距离干涉测量中，分别在大长度气浮导轨的5m和8m处进行15μm范围内、1μm步进的位移测量实验以及10μm重复性位移测量实验，实验结果显示5m处1μm步进测量的误差均值为9.059nm，标准差为54.851nm;10μm步进测量的误差均值为-18.723nm，标准差为52.839nm。8m处1μm步进测量的误差均值为6.532nm，标准差为61.677nm;10μm步进测量的误差均值为5.781nm，标准差为64.485nm，实验结果表明整形后的光束能够满足大距离高精度干涉测量领域的要求，验证了本文所提出的光束整形系统的有效性。
半导体激光器;光束整形;复振幅调制;空间光调制器;干涉测量
浙江理工大学
硕士
测试计量技术及仪器
陈本永
2017
中文
TN248.4
85
2018-07-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）