（光学工程专业论文）半导体激光阵列光纤相干耦合理论与实验研究.pdf

摘要 摘要 半导体激光阵列( 一维半导体激光阵列b a r 和半导体激光叠层阵列s t a c k ) 是 实现大功率输出的有效技术途径，由于其高功率、高效率、体积小、寿命长等优 点，目前已广泛应用于材料加工、通讯、医疗、泵浦固体激光器及军事等诸多领 域。但是，由于其空间相干性不好，使它的光束质量很差，限制了其在许多领域 直接应用，因此改善半导体激光器的光束质量是扩展半导体激光器应用领域的一 项必要工作。 目前的外腔锁相技术主要都是直接在半导体激光器外部加入一些反馈装置 以实现锁相的，这些方法都存在着锁相同时不能保证光束空间对称性以及实际运 行中如何对基超模进行选择等问题。 光纤相干耦合技术就是先通过光纤阵列将半导体激光阵列的光束进行整型 后再在光纤阵列的输出端形成新的外腔，实现锁相的同时整个系统输出的光束也 具有较高的空间对称性，进而提高了锁相时的超模质量，更有利于实际应用的需 要。 由于光纤相干耦合在实际操作中对外腔腔长、腔型等参数比较敏感，因此需 要一个完整的理论模型对其进行锁相行为描述。本文利用耦合模理论建立了光纤 相干耦合半导体激光器的超模理论模型，推导了该锁相方式下的耦合系数矩阵和 超模的近远场分布。发现该锁相方式的更有利于基超模的运转，提高激光器的光 束质量。通过对系统的耦合系数的分析，并利用遗传算法对不同的腔型进行优化 处理，得到了几种典型腔型的优化结果。通过对各个结果的稳定性的分析得到了 适合锁相的外腔腔型。 利用光纤相干耦合的方法在实验中以平面镜加凸透镜组成的外腔实现了对 半导体激光阵列的锁相，在工作电流略高于阈值电流的条件下得到了线宽小于 0 3 n m 的激光输出。 关键词：半导体激光阵列，光纤耦合，相干耦合，锁相，外腔 北京t 业大学t 学学位论文 a bs t r a c t l a s e rd i o d ea r r a y ( l d a ) ，i n c l u d i n gl i n e a rl a s e rd i o d ea r r a ya n dl a s e rd i o d es t a c k ，i sa l la t t r a c t i v e t e c h n i q u et or e a l i z eh i g h e ro u t p u tp o w e r i th a sa p p l i e dt om a n yf i e l d ss u c ha sm a t e r i a lp r o c e s s i n g c o m m u n i c a t i o n ，m e d i c a l ，d i o d ep u m p e ds o l i d l a s e ra n dm i l i t a r yb e c a u s eo fi t sh i g hp o w e r , h i g h e f f i c i e n c y , s m a l ls i z ea n dl o n gl i f e t i m e h o w e v e l 豁ar e s u l to fi t sl o ws p a t i a lc o h e r e n c e l d a s u f f e r sf r o map o o rb e a mq u a l i t yw h i c hl i m i t st h ed i r e c ta p p l i c a t i o ni nm a n yf i e l d s t h e r e f o r e ，t o i m p r o v et h eb e a mq u a l i t yo fl d a i sa l le s s e n t i a lw o r kt oe x t e n dt h ef i e l do fi t sa p p l i c a t i o n t h ee x i s t i n gp h a s e - l o c k i n gm e a n sa r es o m ef e e d b a c kd e v i c e sw h i c hd i r e c tr o l ei nl d aw h i l et h e y c a l ln o ti m p r o v et h es p a t i a ls y m m e t r yo fl d ae f f i c i e n t l y t h e ya l s oh a v et h ep r o b l e mh o wt o s e l e c tt h ef u n d a m e n t a ls u p e rm o d e f i b e rc o h e r e n tc o u p l i n gi san o v e lp h a s e l o c k i n gm e a n sw h i c hc a ni m p r o v et h es p a t i a ls y m m e t r y b e c a u s eo ft h eb e a ms h a p i n go ff i b e ra r r a y t h i st h e s i sf o u n d st h et h e o r ym o d e lo fl d a c o h e r e n t l y c o u p l e db yf i b e ra r r a y , a n dd e d u c e sc o u p l i n gc o e f f i c i e n t sm a t r i xa n dt h en e a r f a rf i e l dd i s t r i b u t i o n o f l d a t h ep h a s e l o c k i n gm e a ni se a s i e rt ow o r ki nf u n d a m e n t a ls u p e rm o d et h a no t h e rm e a n s at h e o r ym o d e ln e e d st ob ef o u n d e d ，f o rt h er e a s o nt h a tp h a s el o c k i n go ff i b e rc o h e r e n tc o u p l i n g i ss e n s i t i v eo ft h ep a r a m e t e r so fi t sc a v i t y t h i st h e s i sf o u n d e dt h es u p e rm o d et h e o r ym o d e lo f f i b e rc o h e r e n tc o u p l i n gl d ab yc o u p l e dm o d et h e o r y t h ec o u p l i n gc o e f f i c i e n tm a t r i xa n d n e a r f a rf i e l di n t e n s i t yd i s t r i b u t i o nw a sd e d u c e d f u r t h e r m o r e ，w ef o u n dt h a tt h ef u n d a m e n t a l m o d ei se a s i e rt os e l e c t e dt h a nh i g h e rm o d e s w ea n a l y z e dt h ec o u p l i n gc o e f f i c i e n to ft h el d a p h a s e l o c k e db yf i b e ra r r a ya n df o u n dt h eb e s tr e s u l to ft h ep a r a m e t e r so fs o m ec l a s s i c a lc a v i t i e s b yg e n e t i ca l g o r i t h m t h e nw ea n a l y z e dt h es t a b i l i t yo fd i f f e r e n tr e s u l ta n dg o tt h ec a v i t yw h i c hi s m o s ts u i t a b l ef o rp h a s e - l o c k i n g 。 f i n a l l y , w ea c h i e v et h ep h a s e l o c ko fl d ac o h e r e n t l yc o u p l e db yf i b e ra r r a yi nt h ec o n d i t i o nt h a t t h ew o r kc u r r e n ti sl i t t l eh i g h e rt h e nt h r e s h o l dc u r r e n t ，w h i l et h ef w h mo ft h es p e c t r u mh a s n a r r o w e dt o0 3 n m k e y w o r d s ：l a s e rd i o d ea r r a y ；f i b e rc o u p l e d ；c o h e r e n tc o u p l e d ；p h a s e - l o c k ；e x t e r n a lc a v i t y 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j e 塞王些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：聊苣诗日期：彬f 9 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 垒塞王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：卸侈劳 导师签名： 日期：，。了毋 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 半导体激光器的历史背景 半导体激光器的发展经历了同质结注入型、单异质结注入型、双异质结注入 型、量子阱型等几个阶段l l j 。 同质结半导体激光器的雏形出现在2 0 世纪6 0 年代，潘可夫( p a n k o v e ) 、凯斯 和梅伯罩( m a y b u r y ) 三人分别提出了g a a sp n 结注入型非相干电致发光，而之后 g e 公司的霍尔( h a l l ) 于1 9 6 2 年用两个镜面构成的谐振腔真j 下实现了g a a sp n 结正向偏置的相干光( 即激光) 发射【2 j ，此后还有很多在制管工艺、器件结构设计、 阈值、温度和光学特性等方面的研究结果发表。但此类激光器存在一个同样的缺 点，就是受激发射的阈值电流密度非常高，通常要5 1 0 4 a c m 2 1 1 0 5a c m 2 ，因 此只能在使用液氮冷却的条件下工作，而且只能脉冲( 脉宽s l p s ，占空比 o 1 ) 输出。 1 9 6 3 年美国科学家克罗默( k r o m e m e r ) 和前苏联科学家阿尔费洛夫( a l f e r o v ) 提出把一个窄带隙的半导体材料放到两个宽带隙半导体之间形成异质结构，以此 在窄带隙半导体中得到高效的辐射复合【l 】。这项研究刺激了异质结材料的生长工 艺的发展，气相外延( v p e ) 、液相外延( l p e ) 等技术都因此取得了长足的进展。1 9 6 7 年i b m 公司的伍德尔( w o o d a l l ) 成功利用l p e 在g a a s 上生长了a i g a a s 。在 1 9 6 8 1 9 7 0 年间，美国的贝尔实验室的p a n i s h 、h a y a s h i 和s u m s k i 成功的研制出 a i g a a s g a a s 单异质结激光器，室温下阈值电流密度为8 6 1 0 3 a e r a 2 ，这也标志 着半导体激光器发展到了一个新的阶段单异质结注入型激光器( s h l d ) 。它 们是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在g a a sp - n 结的p 区之内，以此来 降低阈值电流密度乩，其数值比同质结激光器降低了一个数量级。 单异质结型激光器诞生不久，前苏联科学院的a l f e r o v 又宣布研制成功了双 异质结结构的半导体激光器( d h l d ) 。这种结构是把p g a a s 半导体夹在 n a l 。g a j x a s 层和p a l x g a l 叫a s 层之间，两个异质结的势垒能有效地把载流子和 光场限制在p g a a s 薄层有源区内，使得室温下的乩降低到只有 1 0 3 a c m 2 - 1 0 4 a b n 2 。 2 0 世纪8 0 年代至今，由于吸取了半导体物理研究的新成果，同时随着晶体 外延生长中一些新工艺( 如分子束外延( m b e ) 、金属有机化学气相沉积 ( m o c v d ) 和化学束外延( c b e ) 等) 的出现，使得半导体激光器成功地采用了 北京t 业大学下学硕十学何论文 量子阱和应变量子阱的新结构，出现了许多性能优良的新器件。 如果量子阱激光器中窄带隙的有源区材料的厚度小于电子的德布罗意波长， 则有源区就变成了势阱区，两侧的宽带隙材料也就成为势垒区。势阱中的电子和 空穴沿垂直阱壁方向的运动呈现量子化的特点，电子的状态密度也变为类阶梯 状。这是只需要很小的注入电流就可以达到粒子数反转。因此量子阱激光器具有 很低的阈值电流和高微分增益，同时激光器中的电子与光子的耦合时间也变得更 短。多量子阱激光器则是由多个阱和具有足够厚度的垒交替构成，它比单量子阱 激光器能给出更大的输出光功率，也有较宽的动态增益谱。 1 2 半导体激光器的发展现状 半导体激光器材料方面，目前多采用无铝半导体材料。无铝材料的灾变性光 学镜面损伤( c o m d ) 的损伤阈值是有铝材料的两倍，同时还有热导率更高等优 点。半导体激光器的输出功率最早仅在毫瓦量级，目前最高的半导体激光器输出 功率已经达到几千瓦，限制半导体激光器输出功率增加的主要原因有热损伤和端 面损伤等。在低功率运转状态下，半导体激光器的发热还不太严重，器件可以正 常工作，但是随着注入电流的增加，热量开始在半导体有源区很小的范嗣内积累 起来，温度的升高会导致阈值电流增加、量子效率下降，从而限制了激光输出功 率随输入电流的增加而提高，甚至出现热损伤烧坏半导体激光器。另外，由于半 导体激光器的发光截面非常小，高功率的输出势必造成发光截面的功率密度超过 了材料的光损伤阈值，从而导致半导体激光器的端面损坏。 对毫瓦级的小功率半导体激光器，通常其空间输出为基模光束，光束质量可 达衍射极限，能实现单纵模运转，因此它们的相干长度较长，可达几十公里，适 用于诸如干涉计量、激光全息、光纤通讯等领域。但是如上所述，一般单模半导 体激光器的输出功率限制在2 0 0 m w 左右，目前提高半导体激光器的输出功率的 主要技术途径有： ( 1 ) 腔面钝化技术提高c o m d ； ( 2 ) 采用制冷技术提高散热能力； ( 3 ) 减小材料缺陷、降低内部损耗； ( 4 ) 增大有源层宽度，如宽接触半导体激光器( b r o a da r e al a s e rd i o d e ) ； 图1 i 宽发射面秘r 导体激光器结构 f i g1 - 1 s c h e m eo f as i n g l es t r i p eb m a d l a s e rd i o d e 和普通的低功率! f 导体馓光器相比，宽发射而积半导体激光嚣采川了“大光 学腔”( l a r g eo p t i c a lc a v i t y ) 的设计( 如图l - 】) ，即增加秆螈区的宽度和谐振腔的长 度。以g a a l a s g a & s 材料系、波长为8 0 8n m 的激光，极管为例，有源r 厚度为 1 9 m 左右宽度为i o o u m 到5 0 0u m ，最大输出功率u r 达1 0 w 。但是，过分地增 大有源区宽度会产生多侧模和多光丝( f i l a m e n t a t i o n ) ，导致解理腔面上的光场能 量分布的不均匀，造成了解理腔而的辐劓损伤或热破胡、加速了激光器的退化。 另种特殊结构的l d 锥形半导体激光器可选人j ：1 w 近衍射极限输出，唰 样也存在增大有源区和模式之间的矛盾。 f 5 ) 刑阵技术。 一般将半导体激光二极管脚列分为相干y 0 阵和非相1 。列啡两种类型。帕干阡 列通常采j j 折射率波导结构，通过刻蚀和再生长等工艺技术使每个单条发出的光 与相邻单元发出的光相互变叠，如果整个器件发射的激光相位一致，即具有好的 相l 一陆，则其远场图样为单个光斑，可聚焦为近衍射极限的焦斑。这种阵列半导 印 a b 幽i 一2 、”导体激光阵列( a ：b a r ，bs l a c k ) f i gi 2 ：l a s e rd i o d eb a r bl a s e rd i o d es t a c k 体激光器工艺复杂，集成的条数有限，凼此输出功率不高般在1 0 0 r o w 至 5 0 0 m w 之间。非相干列阵半导体激光器通常采用增益波导结构，制作工艺难度 1jjr1一一 北京t q p 人学1 ：学硕_ 卜学位论文 较小，集成的单条数目很大，有源区面积较大，因而可以获得功率非常高的激光 输出。这类激光器从结构上可以分为以下三种： 一是单元列阵( 1 a s e rd i o d eb a r ) 。这种结构的列阵半导体激光器是将多个单条 二极管耦合起来，并联集成在同一块半导体衬底上，通过增加有源区的宽度，从 而提高激光器输出功率。列阵的总宽度一般在1 0 0 1 x m 到5 0 0 p m 之间。例如，将 5 0 条单管耦合在一起，有源区宽度增加至5 0 0 p m 的单元列阵半导体激光器，其 连续输出功率可达1 0 w 。这种列阵器件的特点是：有源区大，可靠性高，一般 为多模输出，通常输出激光的光谱宽度为2 n m 左右，相干长度0 5 m m 。 二是一维线列阵( 1 a s e rd i o d ea r r a y ) 。这种半导体激光器又简称为二极管激光 条，它是在单元列阵的基础上发展起来的，通过在单元列阵之间增加隔离沟道， 将多个单元列阵组合起来，进一步增加有源区宽度，提高激光输出功率。例如， 将2 0 个单元列阵组合起来，如果每个单元列阵宽l o o g m ( 由1 0 个单条耦合构成) ， 各个单元列阵之间间隔4 0 0 i _ t m ，则线列阵的有源区宽度一般为1 0 m m ，各单元列 阵激光器发出的光被此不相干，但由于集成了2 0 0 个单条，相当于2 0 0 个单管同 时发射激光，因而总输出功率很高。该类商用激光器的连续输出功率已经大雨 i o o w 。 三是二维面阵器件( 1 a s e rd i o d es t a c k ) 。这种半导体激光器又称为二极管激光器 堆，它是采用层叠方式，在垂直方向上将一维线列阵器件堆积叠加起来构成。由 于发光面积的增大，这种器件可以获得更大功率的激光输出，例如将1 3 个一维 线列阵器件堆积叠加起来，层间距0 3 m m ，发光面积为l o m m x 4 m m ，输出功率 可以达到千瓦量级。除了这一指标外，功率密度也是一个重要指标，这涉及到每 条输出功率和层与层的间距。一般是根据输出功率和器件散热能力的大小选择层 间距。 目前上述这些半导体激光器制作工艺已十分成熟，输出功率也一直在提高， 然而这些半导体激光器一般无法实现单模运转，输出激光的相干长度很短，甚至 只有几百微米，这样的性质限制了很多应用。因此改善半导体激光器的相干特性 逐渐成为研究的热点，到目前为止已经提出了诸多种方法，在下面章节中将详细 讲述。 1 3 半导体激光器的应用现状 1 3 1 半导体激光器在通信领域的应用 自上世纪末以来，由于i n t e m e t 、交互式多媒体等数据业务的高速发展和移 动通信终端的日益普及，对信号传输速率和传输带宽的要求越来越高，特别是对 第1 章绪论 长距离光纤骨干传输网和城域光网络的通信容量的需求与日俱增，系统带宽的提 高势在必行。采用波分复用技术( w d m ) ，特别是密集波分复用技术( d w d m ) 目 前被公认为是“实现通信网络带宽高速增长的最佳解决方案，今后无论是广域网、 城域网还是接入网，都将以d w d m 为传输平台，基于d w d m 构建的光传送网 将构成整个通信网的基础物理层1 3j 。 由于光纤制造水平的提高、光放大器及其他光无源器件技术的进步，光纤可 用的窗口愈来愈宽，传输的波长数越来越多。在实验室环境下，已能在单根光纤 上传1 0 2 2 个波长，最高的纪录达到6 5 5 3 6 个波长。波段的划分己由过去的 1 4 0 0 - - - 1 6 2 0 n m 三个波段扩展到1 2 6 0 - - 1 6 7 5 n m 六个波段。 高速宽带光纤网在超常距离传输方面，已达到了5 0 0 0 k m 以上无电中继的技 术水平。通信领域今后的发展趋势之一是网络光化持续向用户端延伸，不但骨干 网普及了光通信，城域网也愈来愈多地采用了光通信，而且接入网也开始采用光 通信，光纤到户( f t t h ) 的普及只是时间问题，而推动下一代光网络产品和技术 发展的动力是以高速数据业务为代表的下一代网络( n g n ) 、_ i k 务。 另一个发展趋势是光模块的小型化、低成本、低功耗、远距离、高速率和热 插拔。在广域网、接入网和局域网市场，对半导体激光器这类有源器件和模块的 需求会迅速增长。 1 3 2 半导体激光器在加工领域的应用 大功率半导体激光器在加工领域最大的优点就是电光转换效率非常高，这是 其他种类的激光器所无法相比的。此外半导体激光器还具有体积小、波长范围宽、 稳定性好等优点。半导体激光器在加工领域应用最大的问题就是在大功率工作时 光束质量很差，制约了半导体激光器作为直接光源在加工领域的应用。 根据光束亮度可以将半导体激光器的加工应用分为三种1 4 j ：l 、只需要中等功 率密度的加工( 功率密度约1 0 4 w c i n 2 ) ，相对大的聚焦光斑，如表面处理或软钎 锡焊结。2 、更高功率密度( 约1 0 6 w c m 2 ) 的加工，但不是极小的聚焦光斑，如 焊接和金属的表面合金化。3 、在最好的光束质量( 达到1 07 w c m 2 ) 下的精密切 割与打孔。 显然目前的半导体激光阵列只能直接应用于第一种加工方式，因此如果想要 进一步拓展半导体激光器的应用领域，就必须改善它的光束质量。 1 4 本文的主要工作 本文课题来源：国家自然科学基金大功率半导体激光列阵光纤耦合理论 与实验研究。 北京丁业大学工学硕i ：学位论文 本文主要针对半导体激光器阵列的光纤相干耦合技术建立了理论模型，推导 了光纤相干耦合半导体激光器的耦合系数和超模近远场分布，利用遗传算法以理 想的耦合系数矩阵为目标对不同的腔型进行了寻优。并在此基础上进行了实验， 得到了小于0 3 r i m 线宽的激光输出。 至：耋量i ! 至些耋薹耋尘呈! 皇： 第2 章改善半导体激光器光束质量的方法 21 半导体激光器非相干耦合技术 2 1l 半导体激光器光束整形技术 2 1 1 1 成像系统整形法 德l 笪的r o l fg r i n g 等人在1 9 9 7f f - l l 片 成像系统对线阵半导体激光器进行整 形n 如图1 3 所示，首先将g r i n 微十t 透镜在x y 平面沿z 轴旋转一定角j _ ， 这样在实现快轴方向准盘的旧时，还使光束在y ( 快轴) 方向分丌并偏转一定的 角度，图1 - 4 为g r i n 微柱透镜的外形轮廓圈，然后再用消色筹的般胶合透镜对 线阵异光束成像，使得光束在x z ( 慢轴) 而重叠，这样就获得近似二维的光场 分布。阿通过j n 耀光栅来校正幔轴的光束，最后用双胶合透镜校正怏轴方向光束 并准商慢轴方向，最后得到低发散角，矩形的均匀光斑。此方法已经耦台进的光 纤应用十商业。但成像整形法只埘单j l 光束进 r 变化，肖发光单兀数较多时，洲 耀光栅的数月就会大大增大，系统变得复杂。因此这种与法也只适用】_ 发光单元 数比较少的情况。 p ln e 乇 器嚣黜品：嚣黼“ 斟2 - l 成像光束帮彤系统不意斟 f i gg - 】d i a g r a m m a t i cs k e t c ho f i m a g i n gb e a ms h a p i n gs y s t e m 北京t 、业大学丁学硕十学位论文 0 5 9m m 图2 2g r i n 微柱透镜的外形轮廓图 f i g 2 - 2o u t l i n ed r a w i n g o f g r i nm i c r oc y l i n d r i c a ll e n s 2 1 1 2 非成像整形法 非成像整形法就是将半导体激光阵列的光束进行分割、旋转、重排，减小慢 轴方向、增大快轴方向上的光参数积，使两个方向的光参数积达到均衡，非成像 法光束分割不考虑结数及结间距，不受发光单元数限制，因此，光束整形系统简 单易于制作，但不能消除发光单元间的“暗区”。其典型的方法主要有折射整形法、 折反射整形法和反射整形法。 ( 1 ) 折射整形法 由美国b r i a nf a i r c l o t h 等人提出的光束整形法，将快、慢轴准直后的光束通 过一系列折射分束器整形来完成【6 1 ，如图1 5 所示。 光束的整形如图1 - 6 所示，由立体玻璃板将入射光束( a ) 在垂直方向分成两段 ( b ) ，分开的距离由立方体的厚度与倾角决定。然后通过相互垂直的宽度一定的 两块平板玻璃将两段光束在慢轴方向平移，不同的偏移量由不同的入射角和厚度 来决定。慢轴方向减小为原来的1 4 ，快轴方向变为原来的两倍，达到光束质量 匀化的目的，便于光纤耦合。 至：三墼耋! 呈：堡尘篓：! 耋丝型! 耋兰 卜一塞塾 罔2 - 3 折射整形系统( a ) 立体视图( b ) 删视图( c ) 俯祝图 f i g2 3r e f r a c ls h a p i n gs y s l e m ( a ) 3 - bv i e w ( b ) s i d ev i e w ( c ) t o f v i c w a ) ( d ) 图川折射整形装置改变光束形状示意图 f i g2 4 d i a g r a m m a t i cs k e t c ho f r e f r a c ts h a p i n go p t i c ( 2 ) 折反射整形法 折反射整形法是由美国a p o l l oi n s t r u m e n t s 提出的光束整形法。其整形思想是 利用棱镜组的折反射，通过两组棱镜来分割和重新行柬。两组棱镜中各片棱镜以 斜边为基准，依次按定距离错位放置。l d a 的出射光束从第个棱镜组斜边 入射线光源与棱镜组的内表面成一定的角度，在备片棱镜叶1 反射埘次后从斜边 图出射，沿着慢轴打向被分割成n 段，由丁棱镜片错位，所以出射光束段也顺敞 错位，沿快轴方向成台阶形分布。然后出射光进入笫二个棱镜组，按帕刊的原理 将光束在快轴方向进行重行。结果出射光束经过棱镜组后，光参数积在慢轴方向 北京l ：业人学上学颂i 学伸论文 减小i n 倍，快轴方向增加了i t 倍。使得阿方向有栩似的光参数积达到整形的i l 的 0 【口rr o | 1 - u k h 8 “m m 口r 0 哪 t o l j i _ 0 ”d i 日口| 卸l b m 一r i n j w 自m f f a , p 图2 - 5 折反射整形法示意h f i g g - 5s c h e m a t i c o fr e f r a c t i v ea n dr e f l e c t i v es h a p i n gs y s t e m 该方法虽然结构简单，重排光斑较好，也能很血f 的改善l d a 光束质量，但 装配团难，棱镜间的精确错位不好控制。 ( 3 ) 反射整形法一台阶形反射整形系统 德国的h - g t r e u s c h 等人1 9 9 8 年利用如图卜7 所示的系统对l d 进行整形i 。 首先通过非球面微柱透镜对快轴方向准直，再用两个对称的台阶型反射镜实现输 出光场的对称分布，如图1 - 5 所示。第一个台阶形反射镜的各反射面与慢轴方向 成4 5 度，第二个台阶形反射镜各反射面与快轴方向成4 5 度，这样经过快轴准直 的光束通过第一个台阶镜后，被分割成n 个单元，目被反射到快轴方向，再经 第二个台阶镜反射后传播方向变为慢轴方向且各光束截面旋转了9 0 度，这样输 h 光束在两个方向得到匀化，图5 一l l 所示。最后通过柱透镜对慢轴进行准直、 聚焦耦合进4 0 0 u m 的光纤。整个系统结构简单，容易实现，转换效率大_ 丁：7 0 ， 是目前光纤耦合中效率最高的种方法。 茎：耋些i 薹茎堡篓耋量尘尘竺尘墼窑董 m i c r o f = 15 0 m m 倒26 台阶形反射整形系统 f i g 2 - 6s t r u c t u r e o f s t e pr e f l e c t i v es h a p i n gs y s t e m ( 4 ) 光纤阵列整形技术 圈2 7 台阶反射镜 f i g2 - 7s t m c t u r eo f s t e pr e f l e c tm i n o r 盛j 萱i r ：| - 譬 - 鲥d l o & h t r 以 h i t r & n l l 图2 - 8 光纤阵，0 整形半导体激光器阵列示意圈 f i 9 2 8 d i a g r a m m a t i cs k e t c ho f f i b e ra a vs h a p i n gs y s t e m 中国科学院半导体研究所的王晓薇等人利用如图所示光纤阵列对半导体激 光器的光束进行整形口】，如幽2 8 ，半导体激光器阵列输出的光经过微透镜准直 后耦合进光纤阵列，整个系统的耦合效率为7 5 ，不过该实验由于其输出端没有 进行重新排列，还维持原有的一维排列，所以得到整形后的光束还是空问不对称 的，如图2 - 9 所示。 北京一f q k 大学t 学硕十学位论文 一 j( 护 ( b ) 图2 - 9 半导体激光器阵列的远场分布( a ) 整形前( b ) 整形后 f i g 2f a rf i e l dd i s t r i b u t i o no fd l a ( a ) b e f o r es h a p i n g ( b ) a f t e rs h a p i n g 2 1 2 半导体激光器非相干合束技术 半导体激光器非相干合束技术的特点就是利用了光的可逆性，将格兰泰勒棱 镜、光栅等分光器件反向利用。这类技术的特点就是虽然没有直接提高半导体激 光器的光束质量，但却不影响光束质量的前提下提高了输出光的功率，变相的提 高了输出光功率密度，其中最具有代表性的就是偏振耦合技术和多波长耦合技 术。 2 1 2 1 偏振耦合 b i r g i t t et h e s t r u p 等人利用如图所示装置对两个宽发射截面半导体激光器 ( 8 1 0 n m 最大输出功率3 w ) 进行了偏振耦合输出【9 】。两个激光器输出光的偏振方 向一致，激光器s 2 输出的光经过旋光镜1 2 波片w p 后偏振方向与s l 垂直，再 经过偏振合束器b s 进行合束输出。 x 图2 1 0 偏振耦合示意图 f i g 2 - 1 0d i a g r a m m a t i cs k e t c ho f p o l a r i z a t i o nc o u p l i n g 第2 章改善j ，导体激光器光束质帚的方法 最终利用该方法在工作电流高于激光器工作阈值电流3 倍1 2 w 激光输出时， 光束质量m 2 因子为1 6 ，而单个激光器输出同等的功率时光束质量因子m 2 为1 6 。 2 1 2 2 多波长耦合 多波长耦合技术( 图1 1 5 ) 源于通信领域的波分复用技术( w a v e l e n g t h m u l t i p l e x i n g ) 。通讯技术中的波分复用技术是将不同波长的光同时耦合进一根光 纤，以增加信息的传送量。同样利用这一原理也可以利用光栅或分光镜等器件将 多个激光器发出的不同波长的光合并在一起达到提高激光亮度的目的。 b s lb s 2 图2 1l 多波长耦合原理示意图 f i g 2 一1 1d i a g r a m m a t i cs k e t c ho fm u l t i - w a v e l e n g t hc o u p l i n g 2 2 半导体激光器锁相( 相干耦合) 技术 用于改善高功率半导体激光器相干性的方法有很多种，目前大致可分为以下 两类：单模种子激光注入锁定( i n j e c t i o nl o c k i n g ) 和外腔反馈 r 主, n ( e x t e m a lc a v i t y f e e d b a c k ) 。 2 2 1 单模种子激光注入锁定 种子光注入锁定是利用输出功率小但光束质量高的单模激光器作为主激光 器，对大功率的从激光器进行注入锁定，从而实现从激光器的单纵模输出是改善 大功率半导体激光器相干特性的有效方法。虽然该技术需要光隔离器，并且对主 从半导体激光器的温度控制要求也较高，但实验证明该方法对改善大功率半导体 激光器是有一定效果的。 到目前为止，考虑了空间效应的f a b r y p e r o t 放大模型【lo 】被认为能够较好符 合种子注入宽接触半导体激光器和半导体列阵的实验结果。图1 - 9 是主从激光器 注入锁定的示意图。从主激光器发出的光束以+ 。角度注入到从半导体激光器( 宽 接触半导体激光器或半导体列阵) 中，而从激光器以一0 辐射的光束即为系统的输 j 匕京上业人学上学硕i 学位埝文 山。图l 一1 0 则是光束注入到宽接触半导体激光器时的f a b r y p e r o t 放人模型原州 示意图。宽度为w 的光束被注入到结、p 而的。侧，半导休波导结构把沣八光求 约束在垂直于结、r i | 方向的有源屡中传播，而在甲行十结平面方向则没有受到约 束，崮中h 给出r 光束祚、r 十结甲而方向的传播放大过程。汴入光束在有源区 的化摊过棵中得到了放大，并经输出镜获得光束输出，同时部分光山输出镜反射 后再次进入有源匣，又一次获得放大并输出，这一过程直至光束离j t 有源区后衰 减l m 告结束。这样若光束的宽度比有源层的宽度小得多，则可以现多个输出光 束，在远场h ；现它们于涉形成的条纹，这己在实验l 】得到了验训l 。而在垂直 于结平面方向l _ j 】于波导效应。其输出光束不受注入光束的影响，与自山振荡时 致，即输出光束是达衍射极限的单横模分布。 气f 厂 躲一汊e ；旷一一t 捌，谶= 图2 1 2 种n t 沌 锁相示意图 f i g2 - 1 2 d i a g r a m m a t i cs k e t c ho f i n j e c t i o ns e e d i n g p h a s e 。l o c k 图2 - 1 3 种子光拄 的f a b r y - p e t 放大模酗 f i g2 - 13f a b r v - p e r o tm o d e l 第2 章改善半导体激光器光束质母的方法 2 2 2 外腔反馈注入 外腔反馈注入和单模种子激光注入锁定一样都可以使半导体激光器获得近 衍射极限的单瓣输出。但是，由于单模种子激光注入锁定需要一个额外的输出高 质量激光的主激光器，以及昂贵的光隔离器以防止激光从从激光器反馈回到主激 光器，和对主、从激光器进行精确的温控。所以，对于那些无需单频激光的场合， 外腔反馈注入不失为一种简单易行的解决办法，因为它不需要主激光器和光隔离 器。而且，外腔反馈注入也没有排除获得单频激光输出的可能性，因为通过引入 标准具或光栅这样的光谱选择器件，激光器的纵模同样可以得到选择和控制。在 这个技术中，有多种方式的外腔反馈注入。 2 2 2 1t a l b o t 外腔 t a l b o t 夕l - 腔锁相技术是一种比较普遍的研究半导体激光器阵列锁相的技术 1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 】，它能有效地改善半导体激光阵f f u ( d l a ) 输出光的光束质量，外腔 半导体激光器的超模理论【1 8 , 1 9 , 2 0 , 2 1 】也是基于这种技术提出的。其原理是利用光束 在外腔中传播时发生的衍射以及外腔镜的反馈作用，在二极管激光阵列的各个发 光单元之间建立相互耦合的机制，利用分数t a l b o t 效应，即光传播到一些特定的 平面时光场分布的再现来实现外腔对模式的选择机制。这样，阵列的发光单元可 以实现光的相干合成输出，产生近衍射极限的输出光束。 t a l b o t 夕b 腔锁相技术在上个世纪8 0 年代至s j 9 0 年代早期主要是对填充系数较小 ( 不超过0 1 ) 的窄条二极管激光器阵列进行锁相【2 2 ，2 3 1 。但窄条二极管激光器的端面 发光面积较小，不利于提高发光功率。扩大二极管激光器的端面发光面积，把二 极管激光器的有源区从几个岬增h n 至u l o o v m 以上，降低功率密度，提高突发性 光学损坏( c a t a s t r o p h i co p t i c a ld a m a g e ) 限。再镀上高低( 9 5 ，5 ) 反射膜，可使 单元器件的实用功率达到1 w ，c o d 限达到3 w 以上。2 0 0 4 年中国科学院半导体研 究所国家光电子器件工程研究中心报道了经过光刻、金属化、镀膜等工艺制备1 c m - 极管激光器阵列，填充密度为8 0 ，单个阵列输出功率达1 0 0w 以上。但由 于发光单元间没有实现相互耦合，光束质量很差。而大填充系数高功率宽条二极 管激光器阵列的锁相实验报道的很少。 理论上有人提出了应用于近轴光学系统，以光学传输矩阵为基础的f r e s n e l 衍射和相应的t a l b o t 条件，将有关t a l b o t 效应的研究扩展到包含透镜等光学元件 的g a u s s 光学系统中【2 2 ，2 3 1 。利用光线在外腔中传播时发生的衍射以及外腔镜的反 馈作用，已经成功地实现了列阵发光单元间的相互耦合，在由宽发光条构成的具 有高填充因子的d l a 上获得了1 0 w 的连续波功率，同时也开始了对二维面阵进 行锁相的尝试。 垦 国 l 划2 - 1 4 t a l b o t 自成像原理示意幽 f i g2 1 4 d i a g r a m m a t i cs k e t c ho f t a l b o te f f e c t 目前的珲论研究一般将二极管激光器阵列的发光单元发出的光看作蛙模 g a u s s 分布。填充系数较小的窄条二极管激光器阵列由于发光单元的宽度较小， 能够满足这个条件。但发光单元宽度较宽，填充系数较大的宽条一极管激光器阵 列往往无法满足这个条件。 2 222 相位共轭镜 从上节的介绍我们也可以发现，l a l b o l 腔对腔长十分敏感，也使得整个装置 在稳定性上会受到一定的影响。而位相共轭镜的特点就是反射光的波面与入射光 的波面晕合，不存在对腔长的依赖。目前已芊研究利用光折变晶体b a t i 0 3 巾产 生的共轭光波对半导体、气体及染料激光器进行反馈，反馈对激光嚣的影响电是 十分显著的。文献【2 1 报道使用相位共轭力法使一个宽发射界面半导体激光器的 输出线宽减小一个量级。文献1 2 3 1 报道使用该方法使多纵模小功率半导体激光器 实现的单纵模运转。图1 - 1 2 为利用相位共轭实现多个激光器锁相的猫眼反射镜 装置。 图2 - 15 相位菇轭镜锁相示意图 f i 9 2 - 1 5 d i a g r a m m m i cs k e t c ho f p h a s ec o n j u n c t i o n m i r r o rd h a s e l o c k 2223 半导体激光器自注入锁相 习 第2 市改善半导体激光器光束质肇的方法 这种装置虽然被归类为外腔锁相的一种，但它是由种子光注入锁相演变而来 的，整个装置与种子光注入的结构很相似，只是把注入光束换成半导体激光器自 己输出的一部分。图1 一1 3 为自注入锁相装置的示意图，图中的外腔镜可以是前 文提到的普通反射镜、相位共轭镜等装置，并可以对其进行空间选模，使基模被 选择，提高输出激光的光束质量。 i l 图2 1 5 自注入锁相装置的示意图 f i g 2 - 15s t r u c t u r eo fs e l fi n j e c t i o np h a s e - l o c k 北京t 业大学t 学硕十学位论文 第3 章半导体激光阵列的理论基础 最早针对d l a 的锁相行为进行理论分析的是w e l c h 等人1 2 4 】，该模型采用的 是简单的等间距开孔的光栅模型来解释多个发光单元激光二极管阵列，也被称作 “简单衍射理论”。此理论虽然可以解释一些d