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为实现局域空心光束的可调谐性,以半导体激光器作为光源,采用贝塞尔光束聚焦法来获得局域空心光束。采用平凸柱透镜和梯度折射率透镜对光束进行整形,以获得发散角可变的激光束,进而得到尺寸可调谐的局域空心光束。数值模拟结果表明,当照射在轴棱锥上的光束发散角在0°~1.5°范围内连续变化时,局域空心光束的最大径向尺寸在90.23~64.05 μm之间可调谐,而局域空心光束的长度在1.85~1.47 mm之间变化。可调谐局域空心光束可显著增加光镊技术的应用灵活性。
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第
卷
第
期
中
国
激
光
年
月
CHINESEJOURNALOFLASERS
November
半导体激光可调谐局域空心光束
杨 智 焜
,
马 晓 辉
,
房 俊 宇
,
金 亮
,
徐 英 添
,
张 贺
长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室
吉林 长春
摘要
为实现局域空心光束的可调谐性
以半导体激光器作为光源
采用贝塞尔光 束聚 焦法来 获得 局域空 心光 束
采用平凸柱透镜和梯度折射率透镜对光束进行整形
以 获得 发散 角 可变 的激 光 束
进 而得 到尺 寸 可调 谐的 局 域空
心光束
数值模拟结果表明
当照射在轴棱锥上的光束发散角在
范围内连续变化时
局域空心光 束的 最大
径向尺寸在
之间可调谐
而局域空心光束 的长 度在
之间 变化
可调 谐局 域 空心
光束可显著增加光镊技术的应用灵活性
关键词
激光技术
光束整形
发散角可变
贝塞尔光束
局域空心光束
中图分类号
文献标识码
doi
:
.
/
CJL.
TunableBottleBeamofSemiconductorLaser
NationalKe
y
Laborator
y
on Hi
g
hPowerSemiconductorLasers
Chan
g
chunUniversit
y
o
f
ScienceandTechnolo
gy
Chan
g
chun
Jilin
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
修回日期
录用日期
基金项目
吉林省科技发展计划
吉林省优秀青年基金
EGmail
引
言
空心光束是通过激光整形技术得到的一类新型
光束
其传播方向的中心光强为零
具有许多独特
的传输特性
将光传输方向上有局域三维封闭暗
中空区域的空心光 束称为局 域 空心光束
这类空心
光束因其特殊的强度分布而受到了广泛关注
局域
空心光束具有非接触
低损伤的优点
已经被成功应
用于活体细胞和亚细胞层次微粒的操纵
因此
获取
合适尺寸的高质量局域空心光束是相关领域的研究
热点之一
目前
局域空心 光 束的获取 方 法 主 要
包括光学全息法
贝塞尔光相干法
贝塞尔光束
聚焦法等
其中
贝塞尔光束聚焦法具有结构简
单
抗损伤阈值高 等优点
便于形成 局 域空心光 束
局域空心光束可作为光镊来操纵从微纳量级到毫米
级的微观粒子
因此尺寸可变的局域空心光束
对
降低仪器成本具有重要意义
通常采用氦氖激光器作为光源来获得局域空心
光束
半导体激光器转换效率高
体积小
质量轻
如
果半导体激光器可直接产生局域空心光束
无论在生
物还是原子冷却应用领域都具有明显优势
但由于受
到非对称光 波导的影响
半导体激光 器输出的光
束在垂直结平面方向和平行结平面方向都是非对称
的
输出光 束 为像散椭 圆 高 斯 光 束
光 束 质 量 较 差
中
国
激
光
在实际应用中必须采用不同的光束整形方法
以
解决光束质量差
功率密度低的问题
目前
半导体
激光器多作为部分相干光源与相关光源进行对比
而
直接应用半导体激光器产生贝塞尔光束及局域空心
光束的 研 究鲜有报 道
年
等
采
用宽条形边发射半导体激光器作为光源
发现在贝塞
尔光束形成过程中
发射光场的空间均匀性比时间相
干性的作用大得多
年
等
利用液芯光纤
产生空心光束
发现采用部分相干的半导体激光可以
得到品质更好的局域空心光束
年
等
采用光纤耦合形式输出的半导体激光产生贝塞
尔光
并将其用于粒子捕获研究
然而
在以半导体
作为光源来产生贝塞尔光束和局域空心光束方面
缺
乏对半导体激光远场光场调控的系统研究
本文首先通过光束整形获得变发散角半导体激
光
利用贝塞尔光束 聚 焦法形成 尺 寸可变的 局 域空
心光束
然后具体研 究 梯度折射 率 透镜移动 距 离和
半导体激光光束变发散角以及最大无衍射距离的关
系
并定量分析激光 束 变发散角 与 局域空心 光 束尺
寸的变化关系
最后 建 立局域空 心 光束的光 强 解析
式并进行数值仿真
原理分析
21
变发散角整形设计
半导体激光器发射光束的角度随发光面尺寸的
不同而不同
在快轴方向上
发光面尺寸小
但发散
角大
在慢轴方向上
发光面尺寸较大
但发散角小
因此在距离半导体激光器发光面
s
处存在这样一个
面
在该平面上所有光束宽度都相等
光斑的形状为
对称分布的圆形
如图
所示
图
半导体激光器的特性
在快轴和慢轴方向上的发光特性
传播特性
为了校正像散
在
s
处插入一 个 特殊设计 的 平
凸柱透镜
以压缩快轴方向的发散角
使其快轴方向
出射后的光束发散 角 与慢轴方 向 上的发散 角 相同
此时的出射光束 为 近似圆形
同发散角 的 光束
在
平 凸 柱 透 镜 的 后 面 放 置 一 个 径 向 梯 度 折 射 率
透镜
移动
透镜
可调节 出 射光束的
发散角
此整形系统 有两个作 用
对半导体 激 光
器准直
消除像 散 的 影 响
将 椭 圆 光 束 整 形 为 圆 光
束
使出射的光束能够在一定范围内改变发散角
图
为光束整形系统结构以及产生局域空心光束的
示意图
根据几何光学的传输原理和半导体激光器的像
散以及高斯光束 在
x
y
方 向 上 光 束 宽 度 的 传 输 规
律
可以计算 出 平 凸 柱 透 镜的 具 体 放 置 位置
s
这
样的位置
s
有两处
选择其一即可
s
=
w
xo
-
w
y
o
w
xo
A
s
±
w
xo
w
y
o
+
{
A
s
±
λ
w
xo
-
w
y
o
é
ë
ê
ê
ù
û
ú
ú
}
式中
w
xo
w
y
o
分别为慢轴和快 轴方向的束 腰 半径
λ
为半导体激光器发射 激光的波长
A
S
为半导 体 激
光器的像散值
首先对平凸柱 透 镜进行设 计
如图
所 示
设
平凸柱透镜后表面的曲率中心位于
O
点
半径为
r
两种介质的折射率分别为
n
n
将半导体激光器放在与平凸柱透镜前表面距离
为
s
处
快轴方向上发散角
θ
y
的光线入射到柱透镜
的前表面
其折射角为
θ
y
在透镜内部
该光线相对
于后表面的入射 角 为
θ
y
再经后表 面 折射
光线的
出射角变为
θ
y
则由折射定律可得
n
θ
y
=
n
θ
y
n
θ
y
=
n
θ
y
又根据几何关系式
θ
y
θ
y
θ
y
β
且折射
率
n
n
入射角
θ
y
及出射角
β
已知
可解得角
θ
y
θ
y
θ
y
的值
则在
MON
中
由正弦定理可得
θ
y
OM
=
+
θ
y
ON
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