李 婕，徐 莉

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022)

0 引言

半導(dǎo)體激光器具有體積小、功耗低、重量輕、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低廉以及光電轉(zhuǎn)換效率高等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在醫(yī)療衛(wèi)生、國(guó)防安全、材料加工、電子技術(shù)、信息傳輸和生命科學(xué)等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。

半導(dǎo)體激光器一般采用量子阱結(jié)構(gòu)，其有源層的厚度(0.1微米左右)和寬度(數(shù)十至百微米)差別很大，激射光束通過(guò)有源層截面狹縫時(shí)發(fā)生衍射，造成光束在有源層垂直方向和水平方向的發(fā)散程度不同，光束遠(yuǎn)場(chǎng)的光斑呈橢圓狀，平行方向的發(fā)散角θ//大于8°，而垂直方向的發(fā)散角θ⊥大于35°。半導(dǎo)體激光器輸出光束的不對(duì)稱性，在很大程度上限制了應(yīng)用。因此，開(kāi)展光束準(zhǔn)直方法研究，探索獲得半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)直光束的方法，對(duì)激光器的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行理論指導(dǎo)，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

本文圍繞半導(dǎo)體激光器的快軸光束準(zhǔn)直開(kāi)展研究，首先設(shè)計(jì)出柱透鏡法進(jìn)行快軸準(zhǔn)直的原理圖，然后采用Zemax光學(xué)軟件建立快軸準(zhǔn)直模型，并探討了位置偏差和高度偏差對(duì)準(zhǔn)直效果的影響。研究結(jié)果對(duì)半導(dǎo)體激光器快軸準(zhǔn)直實(shí)驗(yàn)的裝調(diào)工藝有指導(dǎo)意義。

1 基本原理

建立半導(dǎo)體激光器快軸準(zhǔn)直模型，常見(jiàn)的快軸準(zhǔn)直方法有柱透鏡法、非球面柱透鏡法和自聚焦透鏡法等，文中對(duì)柱透鏡準(zhǔn)直方法進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)發(fā)光波長(zhǎng)808nm的半導(dǎo)體激光器(LD)，設(shè)定其發(fā)光面積為100μm×1μm，設(shè)定快軸發(fā)散角θ⊥為40°、慢軸發(fā)散角θ//為10°，采用直徑為200μm石英柱透鏡作為準(zhǔn)直透鏡，其折射率 n=1.61。

快軸準(zhǔn)直方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，圖中柱透鏡可進(jìn)行三維調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)最佳準(zhǔn)直效果。使用zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件建立柱透鏡準(zhǔn)直模型，由近軸近似關(guān)系可得到，柱透鏡的焦距f與半徑r的關(guān)系如下:

其中n為柱透鏡折射率。

根據(jù)成像關(guān)系:

圖1 柱透鏡三維調(diào)節(jié)圖

其中 l、l'、f分別為物距、像距和焦距。

2 理論模擬

在柱透鏡法快軸準(zhǔn)直系統(tǒng)中，柱透鏡的擺放位置和偏轉(zhuǎn)角度都可能會(huì)影響準(zhǔn)直效果，本文主要圍繞柱透鏡的擺放位置開(kāi)展理論模擬研究，探索位置對(duì)準(zhǔn)直效果的影響。

在zemax建立的直徑200μm柱透鏡準(zhǔn)直808nmLD光束系統(tǒng)中，首先對(duì)存在的幾種誤差情況進(jìn)行分析。

2.1 半導(dǎo)體激光器發(fā)光面與透鏡焦點(diǎn)重合

LD的發(fā)光面位于透鏡的焦距，即當(dāng)l=f時(shí)，l＇=∞，此時(shí)的發(fā)散角為0°(理想狀態(tài)下)。

此時(shí)系統(tǒng)的光路和光斑形狀等如圖2所示，圖2a為在芯徑200μm柱透鏡處于808nmLD發(fā)光面前l(fā)=f=131.96μm處的情況，其光線追跡圖表明激光器的光束獲得了較好的準(zhǔn)直;圖2b和圖2c分別為在相同條件下1mm處得到的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑點(diǎn)列圖和能量分布圖。點(diǎn)列圖和能量分布圖表明，這種條件下的準(zhǔn)直效果非常理想，光束的能量分布非常均勻。然而，由于半導(dǎo)體激光器的出射光束不可能是理想狀態(tài)，在實(shí)際應(yīng)用中也就不可能實(shí)現(xiàn)這種狀態(tài)。

圖2 柱透鏡位于LD發(fā)光面前l(fā)=f時(shí)光線圖

2.2 半導(dǎo)體激光器發(fā)光面與透鏡的距離偏差

(1)若激光器的發(fā)光面不在透鏡的焦點(diǎn)處，即當(dāng)l≠f時(shí)，由式(2)可得:

這里l-f稱為離焦偏差。

當(dāng)l-f＞0時(shí)，l＇＞0，光束為會(huì)聚光束。此時(shí)的光線軌跡如圖3所示，圖3a為柱透鏡處于808nmLD發(fā)光面前l(fā)＞f(131.96μm)處的時(shí)，zemax模擬得到的三維光線追跡圖，圖3b和圖3c為在相同條件下1mm處得到的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑點(diǎn)列圖和能量分布圖。

此時(shí)準(zhǔn)直光束得到了較大程度的壓縮，若離焦偏差的值趨近于零，則輸出光束同樣可以達(dá)到理想的準(zhǔn)直效果，但隨著離焦偏差增大會(huì)出現(xiàn)準(zhǔn)直過(guò)度，發(fā)散角度會(huì)逐漸增大，從能量分布可以看出光斑能量逐漸向光斑的上下兩極發(fā)散，這會(huì)嚴(yán)重影響準(zhǔn)直效果及能量分布。

圖3 柱透鏡處于LD發(fā)光面前l(fā)＞f處的光線軌跡圖

當(dāng) l-f＜0時(shí)，l'＜0，光束為發(fā)散光束。

此時(shí)的光線軌跡如圖4所示，圖4a為在柱透鏡置于LD發(fā)光面前l(fā)＜f(131.96μm)處的條件下，模擬的三維光線追跡圖，圖4b和4c為在相同條件下1mm處得到的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑點(diǎn)列圖和能量分布圖。從圖4中可以看出，離焦偏差的值趨近于零，則輸出光束同樣可以達(dá)到理想的準(zhǔn)直效果，但是隨著離焦偏差負(fù)數(shù)值的不斷減小，會(huì)出現(xiàn)準(zhǔn)直不足的狀況，光束依然是發(fā)散的，這種發(fā)散角壓縮不夠?qū)⒅苯訉?dǎo)致光束能量分布分散。由實(shí)際遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖可知，此時(shí)的光斑為彌散光斑，光束質(zhì)量依然較差。

圖4 柱透鏡處于LD發(fā)光面前l(fā)＜f處的光線軌跡圖

2.3 半導(dǎo)體激光器與柱透鏡的高度偏差

所謂高度偏差是指LD激光出射面與柱透鏡軸線的垂直距離Δy，可等效為物高-y，其物象公式為:

式中y'，θ分別為像高和像與光軸的傾角。

當(dāng)y=0時(shí)，LD出光面與柱透鏡在光軸上重合，此時(shí)不存在像高和傾角;

當(dāng)y≠0時(shí)，水平輸出光路將會(huì)發(fā)生變化，相應(yīng)的成像方向也會(huì)隨之改變。

此時(shí)的光線軌跡如圖5所示，圖5a為在柱透鏡處于LD發(fā)光面前距離l=f=131.96μm時(shí)，LD與柱透鏡之間存在Δy=10μm垂直偏差時(shí)，繪成的三維光線追跡圖，圖5b和圖5c分別為在該狀態(tài)下在1mm處得到的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑點(diǎn)列圖和能量分布圖。從途中可以看出，經(jīng)透鏡準(zhǔn)直后出射的光束光斑存在彗差，對(duì)準(zhǔn)直效果影響很大，同時(shí)，快軸方向的光參數(shù)積也會(huì)隨之增大。

圖5 LD與柱透鏡存在10μm高度偏差時(shí)準(zhǔn)直模擬圖樣

3 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)展了半導(dǎo)體激光器的微柱透鏡法快軸光束準(zhǔn)直研究，采用Zemax軟件建立了LD微柱透鏡準(zhǔn)直模型，模擬了準(zhǔn)直系統(tǒng)中柱透鏡存在位置偏差和高度偏差時(shí)，激光束的形狀和能量分布特性。對(duì)于位置偏差，激光器和柱透鏡間距離大于焦距時(shí)光束發(fā)生會(huì)聚;而距離小于焦距時(shí)光束發(fā)生擴(kuò)散。對(duì)于高度偏差，其存在會(huì)導(dǎo)致經(jīng)透鏡準(zhǔn)直后出射的光束光斑存在彗差。因此，在激光器的裝調(diào)工藝中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)位置偏差和高度偏差，以實(shí)現(xiàn)最佳的準(zhǔn)直效果。

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