基于貓眼逆反射器的大范圍免調(diào)試激光器*

盛泉 耿婧旎 王愛(ài)華 王盟 齊岳 劉俊杰 付士杰? 史偉? 姚建銓

1) (天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院,天津 300072)

2) (天津大學(xué)光電信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)

3) (天津索維電子技術(shù)有限公司,天津 300308)

利用具有逆反射特性的光學(xué)元件構(gòu)成激光器的諧振腔,能夠賦予激光器大范圍免調(diào)試工作的潛力.本文討論了諧振激光自適應(yīng)無(wú)線(xiàn)傳能/通信等新興應(yīng)用對(duì)激光器免調(diào)試工作范圍的要求,設(shè)計(jì)了基于貓眼逆反射器的大范圍免調(diào)試激光器,采用腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)和復(fù)合腔結(jié)構(gòu)分別拓展激光器的工作距離范圍和提升激光安全性.通過(guò)對(duì)激光諧振腔的穩(wěn)定性分析和對(duì)貓眼逆反射器的像差分析,明確了球差和場(chǎng)曲導(dǎo)致的貓眼離焦分別是限制免調(diào)試激光器工作距離和視場(chǎng)的關(guān)鍵因素.實(shí)驗(yàn)中通過(guò)優(yōu)化光學(xué)設(shè)計(jì)補(bǔ)償像差,實(shí)現(xiàn)了端面泵浦Nd:GdVO4 激光器的大范圍免調(diào)試運(yùn)轉(zhuǎn).16.6 W 泵浦功率下,激光器接收端在1—5 m 工作距離范圍內(nèi)移動(dòng)和在±30°接收端視場(chǎng)范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出功率保持在5 W 以上,功率波動(dòng)小于10%,無(wú)需重新準(zhǔn)直調(diào)節(jié).5 m工作距離下,在4.6°發(fā)射端視場(chǎng)內(nèi)輸出功率保持在其最大值的50%以上,對(duì)應(yīng)接收端橫向移動(dòng)范圍達(dá)到40 cm.本工作明確了貓眼腔免調(diào)試激光器的設(shè)計(jì)優(yōu)化原則,為相關(guān)研究提供了實(shí)驗(yàn)結(jié)果參考.

1 引言

激光是最具代表性的定向能載體,基于激光實(shí)現(xiàn)高效、高速的無(wú)線(xiàn)能量和信息傳輸是研究人員長(zhǎng)久以來(lái)的追求[1,2].近年來(lái)出現(xiàn)了基于免調(diào)試激光器的諧振激光自適應(yīng)無(wú)線(xiàn)傳能/通信技術(shù): 與圖1(a)所示的常規(guī)激光無(wú)線(xiàn)傳能/通信技術(shù)中通過(guò)跟瞄系統(tǒng)將光束投射到接收端不同,該方法中將激光諧振腔的輸出鏡與能量/信息接收端的光電池/探測(cè)器布置在一起,使得在諧振腔內(nèi)振蕩、經(jīng)輸出鏡輸出的激光自動(dòng)投射到接收端,不再需要復(fù)雜昂貴的跟瞄系統(tǒng),如圖1(b)所示.另一方面,由于激光發(fā)射端和接收端之間的傳輸光路位于激光諧振腔之內(nèi),侵入傳輸光路的物體會(huì)阻斷激光振蕩而不再受到激光輻照,因此該技術(shù)具有天然的安全性[2,3].理論上,利用角錐、球透鏡或貓眼(cat-eye retroreflector,CER)等具有逆反射特性的光學(xué)元件構(gòu)成激光諧振腔后,激光器就具有免調(diào)試工作的能力,即激光器在其發(fā)射端和接收端之間的距離和相對(duì)朝向在一定范圍內(nèi)變化時(shí)能保持高效工作,從而使自適應(yīng)的諧振激光無(wú)線(xiàn)傳能/通信成為可能.

圖1 基于跟瞄的激光無(wú)線(xiàn)傳能(a)和諧振激光自適應(yīng)無(wú)線(xiàn)傳能(b)示意圖Fig.1.Schematic of the (a) conventional laser power transfer based on acquisition,tracking,and pointing (ATP) system and (b)adaptive resonant beam wireless laser power transfer/communication.

該技術(shù)由以色列的Wi-Charge 公司帶入大眾視野后即受到廣泛的關(guān)注[3,4],其后Liu 等[2,5]對(duì)該方法的應(yīng)用前景進(jìn)行了討論和展望.大動(dòng)態(tài)范圍的免調(diào)試激光器是實(shí)現(xiàn)諧振激光自適應(yīng)無(wú)線(xiàn)傳能/通信的關(guān)鍵,此處動(dòng)態(tài)范圍包括工作距離、發(fā)射端視場(chǎng)和接收端視場(chǎng)3 個(gè)方面,如圖2 所示: 工作距離即包含全反鏡和增益介質(zhì)的激光發(fā)射端與激光接收端(輸出端)之間的距離d;接收端視場(chǎng)(field of view,FoV)α指接收端自身的俯仰偏擺方向變化,其光軸未對(duì)準(zhǔn)發(fā)射端時(shí),接收端光軸與振蕩光路夾角的容限;發(fā)射端視場(chǎng)β則代表了接收端相對(duì)發(fā)射端光軸偏離的容限.激光器只有發(fā)射端和接收端互相在對(duì)方的視場(chǎng)內(nèi),且間距在有效工作距離范圍內(nèi)時(shí)才能正常工作.

圖2 免調(diào)試激光器的工作距離、接收端視場(chǎng)和發(fā)射端視場(chǎng)Fig.2.Working distance,receiver FoV and transmitter FoV of the alignment-free laser.

在大范圍免調(diào)試激光器的具體實(shí)現(xiàn)方面,Lim等[6]在2019 年報(bào)道了基于半導(dǎo)體光放大器(semiconductor optical amplifier,SOA)增益和角錐逆反射器的免調(diào)試激光器,在1 m 的工作距離下獲得了毫瓦量級(jí)的激光輸出,并利用SOA 的寬帶增益特性和光柵色散實(shí)現(xiàn)了約40 mm 的接收端橫向位移范圍(約2.3°發(fā)射端視場(chǎng)).2021 年,上海光機(jī)所的Wang 等[7]報(bào)道了基于薄片Nd:YVO4增益介質(zhì)和貓眼逆反射器的免調(diào)試激光器,在150 mm的工作距離下實(shí)現(xiàn)了±13°的接收端視場(chǎng),接收端橫向位移范圍為約±20 mm,最大輸出功率超過(guò)10 W.2022 年,長(zhǎng)春光機(jī)所的Zhang 等[8]報(bào)道了面向傳能應(yīng)用的光泵浦外腔VECSEL 激光器,工作距離2 m 時(shí),15 W 泵浦功率下激光輸出功率86.3 mW,接收端橫向位移容限小于10 mm.同年,Javed 等[9]報(bào)道了基于光纖增益和球透鏡逆反射器的免調(diào)試激光器,能夠在長(zhǎng)達(dá)30 m 的工作距離下提供400 mW 的激光輸出功率,球透鏡理論上具有不受限制的接收端視場(chǎng),但該方案中的光纖耦合結(jié)構(gòu)在很大程度上限制了發(fā)射端視場(chǎng),即使進(jìn)一步通過(guò)光柵等元件引入色散也只能允許一個(gè)方向上的接收端離軸,無(wú)法實(shí)現(xiàn)二維的發(fā)射端視場(chǎng).Liu 等[5]采用類(lèi)似圖1(b)光路結(jié)構(gòu)開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)工作,泵浦功率為37.3 W 時(shí),在2.6 m 工作距離內(nèi)能夠產(chǎn)生約5 W 的激光輸出,激光功率降至接近0 時(shí)的接收端離軸量為±18 cm(發(fā)射端視場(chǎng)±5.1°),接收端視場(chǎng)未進(jìn)行說(shuō)明.除高校和科研院所之外,華為公司等[10]工業(yè)界的代表也有開(kāi)展相關(guān)研究工作的報(bào)道.

為實(shí)現(xiàn)激光器的大范圍免調(diào)試工作,本文選擇以貓眼逆反射器構(gòu)成激光器的諧振腔.經(jīng)過(guò)分析,認(rèn)為球差和場(chǎng)曲等像差導(dǎo)致的貓眼離焦是限制激光器工作距離和視場(chǎng)動(dòng)態(tài)范圍的主要因素.通過(guò)優(yōu)化激光諧振腔設(shè)計(jì)和補(bǔ)償像差,實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了激光器的大范圍免調(diào)試工作: 在不對(duì)諧振腔進(jìn)行任何重新準(zhǔn)直調(diào)節(jié)的情況下,端面泵浦的1063 nm Nd:GdVO4激光器泵浦功率16.6 W 時(shí),1—5 m 工作距離和±30°接收端視場(chǎng)內(nèi)激光輸出功率保持在5 W 以上且波動(dòng)小于10%,5 m 工作距離下4.6°發(fā)射端視場(chǎng)內(nèi)激光輸出功率大于其最大值的50%.此外,采用復(fù)合腔結(jié)構(gòu)降低發(fā)射端與接收端之間傳輸光路上的激光功率密度,優(yōu)化了激光安全性.本文對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及貓眼腔免調(diào)試激光器的設(shè)計(jì)優(yōu)化原則進(jìn)行總結(jié)和討論.

2 激光器的諧振腔設(shè)計(jì)

圖3 給出了大范圍免調(diào)試激光器的光路示意圖.光纖耦合輸出的泵浦光經(jīng)過(guò)透鏡L0 和L1 準(zhǔn)直和聚焦后入射激光晶體,實(shí)驗(yàn)中所用晶體為原子摻雜濃度0.5%的a切割Nd:GdVO4晶體,尺寸為4 mm×4 mm×8 mm;激光波長(zhǎng)1063 nm,泵浦波長(zhǎng)為808 nm,激光晶體處泵浦光斑半徑約500 μm.平面激光全反鏡M1 與透鏡L1 構(gòu)成發(fā)射端貓眼,激光輸出鏡M3 與透鏡L4 構(gòu)成接收端貓眼.考慮激光器工作距離的要求以及高斯光束固有的發(fā)散特性,腔內(nèi)插入兩片透鏡L2 和L3,二者間距等于其焦距之和,構(gòu)成望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng),起到對(duì)光束擴(kuò)束準(zhǔn)直、壓縮發(fā)散角的作用.腔內(nèi)各透鏡均鍍有1063 nm激光增透膜.從L0 到L3 的器件構(gòu)成激光發(fā)射端,L4 與M3 構(gòu)成的貓眼為激光接收端.此外,腔內(nèi)還在透鏡L2 與L3 相重疊的焦點(diǎn)處插入一片平面部分反射鏡M2,形成復(fù)合腔結(jié)構(gòu),起到降低傳輸光路上的激光功率密度、提高激光安全性的作用[4,11,12].實(shí)驗(yàn)中M2 和M3 對(duì)1063 nm 激光的反射率均為40%,對(duì)應(yīng)整個(gè)復(fù)合腔的等效耦合輸出透過(guò)率為約18%,Nd:GdVO4晶體的受激發(fā)射截面相對(duì)常用的Nd:YVO4晶體較小,能夠保證所用的最大泵浦功率16.6 W 下內(nèi)腔部分不會(huì)單獨(dú)起振.各器件之間的距離分別用符號(hào)d1—d7表示.

圖3 免調(diào)試激光器光路示意圖 (a)接收端位于發(fā)射端光軸上且朝向發(fā)射端;(b)接收端相對(duì)發(fā)射端光軸存在偏離,且朝向與振蕩光路存在夾角Fig.3.Schematic of the alignment-free laser: (a) The receiver and the transmitter are on the optical axes of each other;(b) the receiving end deviates from the optical axis of the transmitting end,and the orientation has an angle with the oscillating optical path.

對(duì)于復(fù)合腔的參數(shù)設(shè)計(jì),首先激光諧振腔整體M1—M3 應(yīng)是穩(wěn)定腔,才能形成激光振蕩.考慮M1-M2 內(nèi)腔部分與M2-M3 外腔部分之間模式耦合的要求,應(yīng)使內(nèi)腔部分M1-M2 為臨界腔,允許以任意高度平行于光軸入射的光在其中振蕩;同時(shí)外腔部分M2-M3 為穩(wěn)腔,則激光器的模式和諧振腔穩(wěn)定性完全由外腔部分所決定.M2 位于L2 和L3 重疊的焦點(diǎn)處,與二者分別構(gòu)成兩個(gè)貓眼.只有經(jīng)過(guò)貓眼光瞳入射的光束才能得到較為理想的逆反射效果,損耗最小;因此當(dāng)接收端相對(duì)發(fā)射端光軸存在一定偏移量Δ時(shí),激光在發(fā)射端與接收端之間以圖3(b)所示的光路振蕩,振蕩光路與發(fā)射端光軸之間的夾角θ1由二者的光瞳位置決定,所允許的θ1的最大值即為發(fā)射端視場(chǎng)α.接收端自身的朝向也可能導(dǎo)致其光軸與振蕩光路存在一定夾角θ2,所允許的θ2的最大值即為接收端視場(chǎng)β.理想情況下,發(fā)射端和接收端的視場(chǎng)由器件的孔徑?jīng)Q定,而實(shí)際上由于諧振腔穩(wěn)定性的要求,光學(xué)元件的像差成為更重要的限制因素.

利用ABCD 矩陣計(jì)算諧振腔的穩(wěn)區(qū),對(duì)于自適應(yīng)激光無(wú)線(xiàn)傳能的應(yīng)用場(chǎng)景,一方面工作距離d6是一個(gè)大范圍變化的變量,另一方面考慮長(zhǎng)工作距離對(duì)于激光準(zhǔn)直性的要求,透鏡L3 與M2 鏡的間距d5應(yīng)正好等于L3 的焦距,發(fā)射端的其他參數(shù)也應(yīng)是固化的,因此需要著重考慮的是接收端貓眼間距d7和工作距離d6對(duì)諧振腔穩(wěn)定性的影響.圖4 給出工作距離d6在1—5 m 范圍內(nèi)變化時(shí)d7的穩(wěn)區(qū),計(jì)算中各透鏡和激光晶體的熱透鏡均近似為薄透鏡處理,理論計(jì)算Nd:GdVO4晶體在實(shí)驗(yàn)中所用的最大泵浦功率16.6 W 下熱透鏡焦距ft為500 mm[13],相關(guān)參數(shù)如表1 所示.其中透鏡L1 與L2 選用一致的參數(shù)以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì),為優(yōu)化工作距離,L3 的焦距約為L(zhǎng)2 焦距的2 倍,將L2 左側(cè)半徑約500 μm 的光束擴(kuò)束到半徑約1 mm,與未加入腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)對(duì)光束擴(kuò)束準(zhǔn)直的情況相比,5 m 工作距離處的接收端光斑半徑從約3.4 mm 壓縮至約2 mm.從圖4 中可以看出,隨著工作距離d6的增大,接收端貓眼間距d7的穩(wěn)區(qū)發(fā)生嚴(yán)重的窄化.當(dāng)透鏡L4 的焦距f4=50 mm時(shí),d7的穩(wěn)區(qū)范圍從d6=1 m 時(shí)的50—52.94 mm收窄到d6=5 m 時(shí)的50—50.52 mm.如使用更短焦距的透鏡L4,則d7的穩(wěn)區(qū)也更窄: 例如f4=25 mm,d6=5 m 時(shí)d7穩(wěn)區(qū)范圍為25—25.13 mm,其寬度僅是f4=50 mm 時(shí)相同工作距離下的四分之一.因此可以預(yù)見(jiàn),當(dāng)激光器的工作距離較長(zhǎng)時(shí),d7相對(duì)其優(yōu)化值的微小偏離即會(huì)嚴(yán)重影響激光器的輸出功率,甚至導(dǎo)致激光不能起振.從另一個(gè)角度解釋,只有合焦的貓眼才能讓逆射光與入射光的發(fā)散角一致;如果二者的發(fā)散角度不一致,相當(dāng)于光束經(jīng)貓眼逆射后其中的部分能量不在原來(lái)的模式中,即模式不能完全自再現(xiàn),遭受了一定損耗.激光器的工作距離越長(zhǎng),發(fā)散角變化造成的逆射光與入射光之間的偏差也就越大,因此貓眼離焦的容限也就越小,對(duì)應(yīng)d7的穩(wěn)區(qū)范圍越窄.

圖4 不同工作距離d6 下接收端貓眼間距d7 的穩(wěn)區(qū)Fig.4.Stability zones of receiver CER distance d7 as a function of working distance d6.

表1 計(jì)算和實(shí)驗(yàn)中所用參數(shù)Table 1.Parameters used in the experiment and calculation.

3 像差的影響

理想情況下,激光器的免調(diào)試范圍僅受到光學(xué)元件孔徑的限制.光束經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的工作距離到達(dá)接收端時(shí)會(huì)發(fā)散成較大的尺寸,因此要求接收端透鏡有足夠的孔徑;同時(shí),各貓眼透鏡和反射鏡的孔徑?jīng)Q定了視場(chǎng)的理論上限.但在實(shí)際工作中,球差和場(chǎng)曲等像差會(huì)對(duì)激光器的免調(diào)試范圍產(chǎn)生嚴(yán)重的限制.

球差是球面光學(xué)元件固有的一種像差,在球差的作用下不同入射高度的光線(xiàn)的實(shí)際焦點(diǎn)相對(duì)近軸像點(diǎn)發(fā)生不同程度的偏離,如圖5(a)所示.而貓眼只能對(duì)合焦的光線(xiàn)實(shí)現(xiàn)良好的逆射作用,因此在球差的作用下腔內(nèi)振蕩的光束中必然有部分能量離焦,不能得到逆射和形成自再現(xiàn),影響腔模和產(chǎn)生損耗[11,14-16].在工作距離5 m 時(shí)接收端的基模光斑半徑會(huì)達(dá)到2 mm[11],光束口徑越大,相應(yīng)球差越嚴(yán)重.圖5(b)給出理論計(jì)算的焦距f=25 mm 的K9 平凸透鏡的球差,也即不同半徑的光束邊緣的實(shí)際焦點(diǎn)位置相對(duì)透鏡理論焦點(diǎn)的偏移量.可以看出,當(dāng)光束半徑2 mm 時(shí),球差導(dǎo)致的離焦達(dá)到0.70 mm,已明顯大于5 m 工作距離下接收端貓眼間距d7=0.13 mm 的穩(wěn)區(qū)寬度.根據(jù)諧振腔穩(wěn)區(qū)的定義,不滿(mǎn)足穩(wěn)定性條件時(shí)光線(xiàn)在腔內(nèi)經(jīng)過(guò)有限次往返后會(huì)逸出諧振腔,形成損耗.因此,要拓展激光器的工作距離,需要對(duì)球差進(jìn)行有效的控制.

圖5 使用f=25 mm 的K9 平凸球面透鏡時(shí)球差導(dǎo)致的貓眼逆反射器離焦Fig.5.CER defocusing induced by the spherical aberration of a K9 plano-convex spherical lens with f=25 mm.

如圖3(b)所示,當(dāng)發(fā)射端和接收端的光瞳所決定的振蕩激光光路與發(fā)射端和接收端的光軸存在夾角時(shí),光束以一定角度入射貓眼逆反射器;不同角度入射光束的實(shí)際焦面既不是平面,也不是曲率半徑(radius of curvature,RoC)等于透鏡焦距的曲面,即存在場(chǎng)曲,如圖6(a)所示.場(chǎng)曲也不可避免地導(dǎo)致貓眼的離焦[12,17],圖6(b)給出反射鏡為平面鏡的常規(guī)“遠(yuǎn)心貓眼”中場(chǎng)曲導(dǎo)致的光束實(shí)際焦點(diǎn)相對(duì)位于透鏡理論焦點(diǎn)處的反射鏡面的偏離量.當(dāng)所用透鏡為f=25 mm 的K9 平凸透鏡時(shí),在入射角度僅為1.8°時(shí)場(chǎng)曲導(dǎo)致的貓眼離焦量就達(dá)到0.13 mm,如圖6(b)所示,與5 m 工作距離下d7的穩(wěn)區(qū)寬度相等,且離焦量隨入射角度的增大趨勢(shì)變快.因此,盡管理想情況下25.4 mm 的透鏡孔徑?jīng)Q定的貓眼視場(chǎng)超過(guò)±26°,但實(shí)際工作中場(chǎng)曲導(dǎo)致的貓眼離焦會(huì)嚴(yán)重限制激光器的視場(chǎng),在長(zhǎng)工作距離導(dǎo)致穩(wěn)區(qū)范圍很窄時(shí)尤為明顯.為實(shí)現(xiàn)激光器的大范圍免調(diào)試運(yùn)轉(zhuǎn),也要考慮場(chǎng)曲的補(bǔ)償.

圖6 使用f=25 mm 的K9 平凸透鏡時(shí)場(chǎng)曲導(dǎo)致的貓眼逆反射器離焦Fig.6.CER defocusing induced by the field curvature of a K9 plano-convex lens with f=25 mm.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

按照?qǐng)D3 的光路結(jié)構(gòu)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究,入射激光晶體Nd:GdVO4的808 nm 泵浦光功率為16.6 W.首先令發(fā)射端與接收端互相在對(duì)方的光軸上,研究激光器的工作距離特性.隨著激光器工作距離d6的增大,接收端的光斑尺寸增大,球差的影響逐漸增強(qiáng),同時(shí)諧振腔的穩(wěn)區(qū)變窄,導(dǎo)致激光輸出功率逐漸降低.接收端球面透鏡焦距f4=25 mm 時(shí),在發(fā)射端的球差得到補(bǔ)償?shù)那闆r下[18],隨著工作距離d6從1 m 拉長(zhǎng)到5 m,激光輸出功率從5.95 W下降至1.16 W,如圖7 中藍(lán)色菱形曲線(xiàn).當(dāng)f4=51.8 mm 時(shí),由于球差得到一定緩解,同時(shí)d7的穩(wěn)區(qū)范圍相對(duì)較寬,激光輸出功率隨工作距離d6的下降趨勢(shì)變緩(黑色方塊),1 m 和5 m 工作距離下輸出功率分別為6.28 W 和4.54 W,驗(yàn)證了球差導(dǎo)致的貓眼離焦是限制激光器工作距離的主要因素.在此基礎(chǔ)上,選用f=25 mm 的消球差非球面透鏡作為接收端透鏡L4,激光器的工作距離特性得到進(jìn)一步提升(紅色圓圈),1 m 和5 m 工作距離下輸出功率分別為6.45 W 和5.84 W.需要說(shuō)明的是,上述輸出功率是在不同工作距離d6下分別優(yōu)化接收端貓眼間距d7得到的最大輸出功率.在工作距離增大的過(guò)程中,為獲得最大輸出功率需要將d7略微減小,d6從1 m 增大到5 m 的過(guò)程中,d7的變化量與其在d6=5 m 時(shí)的穩(wěn)區(qū)范圍相近.考慮實(shí)際應(yīng)用中整個(gè)接收端應(yīng)是一個(gè)固化的整體,使用非球面透鏡L4 在d6=5 m 時(shí)優(yōu)化并固定接收端貓眼間距d7后,工作距離d6在1—5 m 范圍內(nèi)變化時(shí)激光輸出功率能夠始終保持在5.75 W 以上(灰色圓點(diǎn)),且波動(dòng)小于10%,實(shí)現(xiàn)了激光器工作距離方面的大范圍免調(diào)試工作.

圖7 不同接收端透鏡球差條件下激光器的工作距離特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7.The experimental working distance behavior of the laser using receiver lenses with different SA.

在接收端視場(chǎng)方面,當(dāng)激光器工作距離較短,在幾十厘米時(shí),采用常規(guī)貓眼設(shè)計(jì)就能夠?qū)崿F(xiàn)僅受器件孔徑所限的較大接收端視場(chǎng),與Wang 等[7]的報(bào)道類(lèi)似.但是,隨著工作距離的增大,接收端貓眼間距d7的穩(wěn)區(qū)變窄,場(chǎng)曲導(dǎo)致的貓眼離焦對(duì)接收端視場(chǎng)的限制越發(fā)嚴(yán)重.如圖8 所示,工作距離5 m 時(shí)輸出鏡RoC=f4=51.8 mm 的貓眼接收端視場(chǎng)(以輸出功率降至其最大值一半計(jì))小于±3°(紅色圓點(diǎn)),而輸出鏡為平面鏡的“遠(yuǎn)心貓眼”視場(chǎng)更小(黑色方塊),不到±2°,這也和后者的場(chǎng)曲離焦相對(duì)前者更嚴(yán)重的理論計(jì)算結(jié)果相符,驗(yàn)證了場(chǎng)曲導(dǎo)致的貓眼離焦是限制視場(chǎng)的主要因素.在此基礎(chǔ)上,分別設(shè)計(jì)了平場(chǎng)非球面透鏡、反射鏡曲率半徑與透鏡像面相適配(藍(lán)色菱形)以及多鏡片改進(jìn)貓眼(綠色五星)等結(jié)構(gòu)來(lái)補(bǔ)償場(chǎng)曲導(dǎo)致的貓眼離焦[12,19],在5 m 的長(zhǎng)工作距離下實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了最大±30°的接收端視場(chǎng),此范圍內(nèi)16.6 W 泵浦功率下的激光輸出功率始終保持在5 W 以上,無(wú)需對(duì)諧振腔進(jìn)行任何重新準(zhǔn)直調(diào)整.得益于泵浦光與振蕩光較好的模體積匹配以及對(duì)像差的有效控制,接收端移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中激光輸出保持了較好的光束質(zhì)量,M2在1.3—1.7 之間,接收端運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程中輸出功率也未出現(xiàn)明顯的波動(dòng).在發(fā)射端視場(chǎng)方面,設(shè)計(jì)加工了補(bǔ)償場(chǎng)曲的非球面透鏡,也使發(fā)射端視場(chǎng)得到大幅提升: 以輸出功率降至其最大值的一半計(jì),5 m 工作距離下的接收端橫向位移允許范圍達(dá)到40 cm,對(duì)應(yīng)發(fā)射端視場(chǎng)4.6°,是補(bǔ)償場(chǎng)曲之前1.8°視場(chǎng)的約3 倍,但仍與設(shè)計(jì)水平存在一定差距,離軸量逐漸增大的過(guò)程中光束質(zhì)量也發(fā)生了明顯的劣化[18].可推測(cè)這與激光晶體熱透鏡的像差有關(guān),后續(xù)考慮測(cè)量熱透鏡的像差并據(jù)此設(shè)計(jì)非球面透鏡進(jìn)行補(bǔ)償,以進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)射端視場(chǎng).此外,晶體中振蕩激光光路的離軸導(dǎo)致其與泵浦光的交疊效率下降,也會(huì)在一定程度上限制發(fā)射端視場(chǎng);采用更大的泵浦光斑以及長(zhǎng)度更短的激光晶體有助于緩解這一問(wèn)題,例如文獻(xiàn)[5,7]中基于薄片激光晶體實(shí)現(xiàn)了較好的發(fā)射端視場(chǎng).

圖8 不同接收端透鏡場(chǎng)曲條件下的接收端視場(chǎng)特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8.The experimental receiver FoVs with and without FC of the receiver CER compensated.

表2 歸納大范圍免調(diào)試激光器的典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果.通過(guò)分析諧振腔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和光學(xué)像差,確定了像差導(dǎo)致貓眼離焦和長(zhǎng)工作距離下諧振腔穩(wěn)區(qū)窄化是限制激光器免調(diào)試工作范圍的主要因素,通過(guò)優(yōu)化光學(xué)設(shè)計(jì)補(bǔ)償像差,實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了激光器的大范圍免調(diào)試高效率運(yùn)轉(zhuǎn),為安全、便捷的諧振激光自適應(yīng)無(wú)線(xiàn)傳能/通信應(yīng)用提供光源支持.在1.06 μm附近波段,低成本的硅光伏電池轉(zhuǎn)換效率為約20%,InGaAs 光伏電池的效率能夠超過(guò)40%[20],相應(yīng)可產(chǎn)生1—2 W 的電輸出功率,能夠支持大部分低功率物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的供電需求.如采用具有更高功率處理能力的薄片晶體或半導(dǎo)體激光增益介質(zhì),激光器的輸出功率水平能夠進(jìn)一步提高,支持更多實(shí)際應(yīng)用.

表2 面向諧振激光自適應(yīng)無(wú)線(xiàn)傳能/通信應(yīng)用的免調(diào)試激光器典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2.Typical experimental results of alignment-free lasers for adaptive resonant beam charging/communication applications.

5 結(jié)論

針對(duì)自適應(yīng)激光無(wú)線(xiàn)傳能/通信等領(lǐng)域?qū)τ诖蠓秶庹{(diào)試激光器的需要,本文討論了激光器免調(diào)試工作動(dòng)態(tài)范圍的優(yōu)化要求,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于貓眼逆反射器的大范圍免調(diào)試激光器.通過(guò)引入望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)和復(fù)合腔結(jié)構(gòu)分別壓縮傳輸光路上的激光發(fā)散角和提升激光安全性.基于腔模理論分析諧振腔的穩(wěn)區(qū),發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)工作距離下,諧振腔穩(wěn)區(qū)的窄化和像差導(dǎo)致的貓眼離焦是限制激光器免調(diào)試動(dòng)態(tài)范圍的主要因素.通過(guò)優(yōu)化光學(xué)設(shè)計(jì)補(bǔ)償像差,端面泵浦的Nd:GdVO4激光器泵浦功率16.6 W 時(shí)能夠在1—5 m 工作距離、±30°接收端視場(chǎng)范圍內(nèi)保持5 W 以上的激光輸出功率,5 m 工作距離時(shí)的半功率發(fā)射端視場(chǎng)4.6°,對(duì)應(yīng)接收端橫向位移范圍達(dá)到40 cm.本工作明確了貓眼腔免調(diào)試激光器的設(shè)計(jì)要求和關(guān)鍵優(yōu)化方法,實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了激光器大范圍免調(diào)試運(yùn)轉(zhuǎn),為實(shí)際應(yīng)用需求和免調(diào)試激光器的發(fā)展提供了理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持.