（光学工程专业论文）半导体激光器光束准直技术研究.pdf

摘要 摘要 半导体激光器具有体积小、重量轻、功耗低和可直接调制等优点，在激光雷 达、激光通信、固体激光器的抽运、激光泵浦、激光扫描、激光测距、激光指挥 笔等方面得到了非常广泛的应用。由于半导体激光器的结构特点，使得它发出的 光束在垂直于结平面方向上远场发散角和平行于结平面方向的远场发散角相差较 大( 在垂直和平行于结平面方向上的发散角大小分别在3 0 0 左右和1 0 0 左右) 。所以 在几乎所有要求较高的应用领域中，其输出光束都必须通过特殊的光学系统进行 准直。柱透镜因其结构简单、材料便宜以及加工容易而在半导体激光束准直领域 获得较多的应用，但普通的圆柱透镜其准直能力非常有限，为了提高柱透镜的光 束准直能力，就有必要设计出更加合理和可行的结构。 在本文中，针对现在对半导体激光器准直的要求作者基于利用柱透镜对半导 体激光器光束准直的理论分析，设计了利用椭圆面柱透镜对半导体激光器进行光 束准直的方案，对半导体激光器发出的光束经过椭圆面柱透镜的光路进行计算， 并且利用m a n a b 对方程进行求解及计算机模拟得到最终结果。经计算表明，该系 统可以将半导体激光器的发散角压缩在o 1 m r a d 的量级这种方法结构相对简单， 设计容易且精度较高有很好的实用价值。 关键字半导体激光器，准直，整形，椭圆面柱透镜，光线光学 a b s t r a c t o w i n gt oi t sc o m p a c t n e s s ，l i g h t n e s s , a n dl o wc o s t , s e m i c o n d u c t o rl a s e rp l a ya l l i m p o r t a n tr o l e 勰c o h e r e n t 目叭】辩i nv a r i o u sf i d d so ft e c h n o l o g ys u c ha sm i l i t a r y , i n d u s t r ya n dm e d i c i n eu s ea n d s o 0 1 1 h o w e v e r , t h eo u t p u tb e a mq u a l i t yo f s e m i c o n d u c t o rl a s e ri sp o o r b e c a u s eo ft h ew a v e g u i d ep r o p 毹e so ft h e i ra c t i v ea r 翰s s e m i c o n d u c t o rl a s e r sg e n e r a t el a r g ed i v e r g e n c e - a n g l eb e a m sw i t ha l l i p t i c a l l ys h a p e d i n t e n s i t yp r o f i l e s ( f w h mv a l u e so f a s e m i c o n d u c t o rl a s e r 瓣4 0 0a n d1 0 0p e r p e n d i c u l a r a n dp a r a l l e lt ot h ej u n c t i o np l a n e ，r e s p e c t i v e l y ) a n dt h eb e a mo fs e m i c o n d u c t o rl a s e r h a sa s t i g m a t i s m s o ，t h eo u t p u tb e a mm u s tb ec o l l i m a t e db yo p 6 c a ls y s t e m si nm o s t p r a c t i c a lw o r k b e c a u s eo fs i m p l es t r u c t t m ) a n de a s yf a b r i c a t i n g ，t h ec y l i n d r i c a ll e n s e s h a v eb e e nu s e di nm a n yp r a c t i c a la p p l i c a t i o n sf o rb e a mc o l l i m a t i n go fs e m i c o n d u c t o r l a s e r s i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h eb a s i cp r i n c i p l eo f l i g h t - r a yp r o p a g a t i o n , t h ee l l i p t i c c y l i n d e rl e n s e sh a v eb e e nd e s i g n e da n du s e dt oc o l l i l n a t et h es e m i c o n d u c t o rl a s e rb e a m w i t ht h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nb yu s eo fm a t l a b , t h en u m e r i c a lr e s u l t sa t eg i v e r lt h e n u m e r i c a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed i v e r g e n c ea n g l eo f t h ec o l l i m a t i n gb e a mc o u l db ea s h i g ha so 1 m r a d b o t ht h e o r e t i c a la n dn u m e r i c a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ea d v a n t a g eo f t h i sm e t h o di ss i m p l es m l c u l 佗a n de a s yt od e s i g n t h er e s u l t so ft h i sp a p e rc o u l db e u s e f u lf o rm u c h p r a c t i c a lw o r l k e yw o r d s ：s e m i c o n d u c t o rl a s e r ，b e a mc o l l i m a t i n g ，b e a ms h a p i n g ，e l i i p d c a l c y l i n d r i c a ll e n s ，r a yo p t i c s 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，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中所 罗列的内容以外，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 西安电子科技大学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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：盈囊日期堑2 ：! ：! ! 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的 复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影 印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再攥 写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在 年解密后适用本授权书。 本人签名：塑叠日期通：! ：! ! 导师签名：盏! 丝丞 日期幽：! ：丝 第一章绪论 第一章绪论 自从1 9 6 2 年第一台半导体激光器发明以来，历经4 0 多年的发展，半导体激光 器以自身的优势，极大地推动了科学技术的进步，是二十世纪人类最伟大的发明 之一近几年来，随着信息传输宽带化、信息处理高速化、信息存储大容量以及 军用装备小型、高精度化的需求发展，半导体激光器的发展更为迅速，性能不断 提高，半导体激光器已成为世界上发展最快的激光技术之一。它的应用几乎覆盖 了整个光电予学领域，成为当今光电子学的核心技术之一。 1 1 半导体激光器的背景及整形的意义 1 1 1 半导体激光器的发展与应用 一半导体激光器发展史【1 棚 半导体激光器经历了一个相当长的发展史及以后，现在正趋于成熟。最初的 概念是在1 9 6 1 年，那时b a s o v 等人提出的。通过p i n 结注入的载流子复合，在半导体 中能够产生光子的受激辐射。1 9 6 2 年，美国的三个研究小组几乎同时宣布获得了 第一个实用的在低温下工作的半导体激光器。然而，半导体激光器的出现虽只比 其它类型的激光器晚了几年，但发展则明显地落在了其他激光器的后面，且花了 很长时间才达到成熟。 1 9 6 2 年第一只注入式激光器是由矩形c r a a s 薄片做成，在薄片中扩散了一个平 面p _ _ n 结。这种激光器的c m a s 芯斤固定在金属基片上，其顶部接有导线。这个芯 片有两个平滑的解理端面和两个粗糙的侧面。光从它的端面射出，p - n 结的位置和 光发射方向加图1 1 所示。这类激光器有一个很大的缺点，即受激辐射的阈值电流 密度特别高，通常为5 x 1 0 4 a c m 2 一l x l 0 5 a 儿m 2 ，因此只能在液态氮( 或更低) 和脉 冲状态( 脉宽1 z $ ，占空比 l ( 2 - 1 9 a ) 同2 两 g d 9 协 取t a y l o r 级数展开，并保留至，的一次项，即： i r - r 1 = i r i 一( v i r i ) ，= i ，i 一衍1 ， ( 2 - 1 9 c ) 把以上远场条件代入菲涅尔基尔霍夫公式，可得大角度光波远场的公式： 如埘2 三警竺学c d “) 叫一堡r ( 搿叫) 卜。 ( 2 - z o ) ( 2 - 2 0 ) 式是利用远场近似得到的结果。由于传播和衍射问题绝大多数都是远场问 题，因此在物理上远场近似比傍轴近似或p a r a b o l i c 近似更加合理。此外，虽然夫 第二章基本理论 1 5 琅禾费( f r a u a h o f e r ) 公式也适用于远场区域的场分布，但只适用于傍轴近似下的远 场区域。如果对( 2 - 2 7 ) 式考虑傍轴情况z 2 x 2 + y 2 ，在积分号前的指数因子中令： ，：+ 粤 ( 2 2 1 ) 其余部分取r z ，则可得f r a u n h o f e r 公式； 姚扔，= 击e x 一巾薹别脚堋叱c 叫幽嘲 ( 2 - 2 2 ) 因此傍轴情况可以看作远轴近似的特例。由于激光二极管器件在垂直结平面 方向的发散角很大，已不能简单的看成傍轴近似，因此上式可用来描述激光二极 管及其列阵远场光分布。 讨论：根据以上远场近似，在一定边界条件下求解h e l m h o l t z 方程，得到非傍 轴光波远场基本公式： b ，弘z ) = 砉三翌警c d o ) 叶等似+ 抄叼斑 ( 2 彩) 理论和实验都表明( 2 2 3 ) 式能够很好的用来描述小功率激光二极管光束的传播特 性。 第三章半导体激光器 1 7 第三章半导体激光器 本章主要介绍半导体激光器的基本原理及其器件结构，最后总结出半导体激 光器与其它类型性的激光器相比的优缺点。 3 1 半导体激光器的基本原理【2 1 硼 半导体激光器( s e m i c o n d u c t o rl a s e r ) 是利用半导体中的电子光跃迁引起光予受 激辐射而产生的光振荡器和光放大器的总称。早在1 9 5 7 年这种想法就被提了出来， 1 9 5 8 年s c h a w l o w - - - t o w n e s 建立了激光器的基本理论，1 9 6 0 年蓝宝石激光器和h e - n e 激光器能产生激射得到了证实，不久就对半导体激光器进行了初期的研讨，1 9 6 2 年最早的半导体激光器g a a s 激光器中观察到了低温脉冲激射。1 9 7 0 年完成了室温 连续激射。之后由于各方面的努力，半导体激光器得到了显著发展，这些在绪论 里已有所介绍了。 原予或分子中的电子能量以分立值的形式构成能级瞰q 。如图3 1 ( a ) 所示，能 量差为e 的两个能级，上能级被电子占据，下能级末被电子占据，j i 为酱朗克常量， 壳= 2 z ，如果角频率为国的入射光满足下式： e = 意国 ( 3 - 1 ) 则电子按与光强成正比的概率向下能级跃迁、发射出光子，此光子与入射光状态 相同，即频率相同、传播方向相同。半导体中的电子能级不是分立的而是形成能 带。如图3 1 所示，当导带中有大量的电子、价带中有大量的空穴时，如果入射 光的能量厨自大于带隙能量厨且满足式( 3 - 1 ) ，则发生电子跃迁和光子辐射，这就是 受激辐射( s t i m u l a t e de m i s s i o n ) 。 ( a ) c o ) 图3 1 能级结构 另外，没有入射光时的光子发射称为自发辐射( s p o n t a n e o u se m i s s i o n ) 。相反， 下能级占有电子、上能级未占有电子时，入射光引起电子而发生光吸收。依照量 半导体激光器光束准直技术研究 子理论，这个受激辐射与吸收的概率是相同的。如果考虑含有大量电子的系统， 在热平衡状态下电子按能量分布是遵从费米一狄拉克分布，高能级占有的电子数 比低能级的电子数少，因此总的来说光被吸收。但是若给系统提供能量实现分布 反转则产生净的光辐射而获得光放大。这就是激光作用的基本原理。 就基本原理而论，半导体激光器和其它类型的激光器没有根本的区别，即都 是基于受激光辐射。要使激光器得到相干的、受激光输出，须满足两个条件，即 粒子数反转条件与阈值条件。前者是必要条件，它意味着处于高能态的粒子( 如半 导体导带中的电子) 数多于低能态的粒子数。达到这一条件，有源工作物质就具有 增益。后者是充分条件，它要求粒子数必须反转到一定程度，即达到由于粒子数 反转所产生的增益能克服有源介质的内部损耗和输出损耗( 激光器的输出对有源介 质来说也是一种损耗) ，此后增益介质就具有净增益。 一般的气体激光器、固体激光器是利用分子或原子自身具有的分离能级间的 电子跃迁而形成激光辐射；半导体激光器却是依靠半导体晶体构筑的两个能级， 即导带和价带尖的电子跃迁形成激光辐射的。半导体中的反转分布是由价带的电 子激发到导带形成大量的电子一空穴对实现的，也可以出光照射或电子束照射来 实现。实现有实用价值激光器最有效的方法是在半导体中形成p n 结，在p n 结上流 过正向电流，在结附近的耗尽层内注入能量很高的少数载流子。在p 型区，少数载 流子电子是由n 型区注入的，为满足电中性条件，多数载流子空穴也增加，成为激 励状态。由电流注入而激励的半导体激光器称为注入型激光器( i n j e c t i o nl a s e r ) ，也 称为激光二极管( 1 a s e rd i o d e ，l d ) 。从载流子统计考虑，为了获得反转分布，正向 偏压必须满足： ev=壳m(3-2) 3 2 半导体激光器的器件结构【6 抛嘲 围绕着不断提高半导体激光器的性能以满足日益增涨的应用，已发展了许多 半导体激光器的结构。下面将要介绍几个典型的半导体激光器结构。 3 2 1 异质结半导体激光器 一双异质结半导体激光器( d h ) 这种结构识将有源层加在同时具有宽带隙和低折射率的两种半导体材料之 第三章半导体激光器 1 9 间，以便在垂直于结平面方向有效地限制载流子与光子1 9 7 0 年基于此结构实现 t g a a i a s c , a a s 激射波长为0 8 9 t t m 的半导体激光器在室温下连续工作。在此以 g a a s 半导体激光器为例说明半导体激光器的基本原理和结构。其结构概略如图3 2 所示，在正向偏压下，电子和空穴分别从宽带隙的n 区和p 区注入有源区它们在 该区的扩散又分别受到p p 异质结和p n 异质结的限制，从而可以在有源区内积累起 产生粒子数反转所需的非平衡载流子浓度。同时，窄带隙有源区有高的折射率， 与两边低折射率的宽带隙层构成了一个限制光子在有源区内的介质光波导。 图3 2 双异质结半导体激光器结构 双异质结构成功地解决了在垂直于结平面方向对载流子和光子的限制问题。针对 有源区的载流子和光子在平行结平面方向的限制问题，研究人员提出了条形结构， 这是半导体激光器发展史上的一个重要里程碑。 二条形激光器 条形结构是激光器的阈值电流大幅降低、改善了近场与远场、纵模与横模特 性，提高了器件的可靠性。 最早的条型激光器是采用电极条形或质子轰击条形。在平行结平面方向的光 学限制是所谓的“增益波导”。实质上，它只是限制电流流经的通道，这种限制 不可避免地存在注入电流的侧向扩展和注入载流子的侧向扩散。增益波导对光场 的侧向渗透实际上没有限制作用，其所谓光波导作用只是相对于损耗而出现的光 的净增益区域。 依照在横向利用有源层与两边限制层折射率之差所形成的强的光波导效应， 在平行结平面方向也设计了类似的折射率波导。折射率波导充分体现了条形结构 的优越性，已成为半导体激光器的基本结构形式，已广泛用于c d 唱机，激光打印 半导体激光器光束准直技术研究 和光纤通信系统中。 3 2 2 量子阱半导体激光器 一般的双异质结半导体激光器的阈值电流密度j 恤与有源层厚度的关系如图 3 3 所示，最佳的有源层厚度在0 1 5 1 m 1 左右。超过此值后j t h 随着有源层厚度的增加 而线性增加，这是因为随着有源层厚度的增加，载流子的扩散减少了在同样注入 电流下注入有源区的载流子浓度或注入电流密度，这也等效于减弱了异质结势垒 对载流子的限制能力。而过薄的有源层厚度会因为光场渗透逸散致使异质结波导 能力减弱，使较多的光子损耗与有源层之外，阈值电流密度增加。尽管在最佳的 有源层厚度下，异质结势垒和光波导效应对有源层中的电子和光子有较好的限制 能力，但它们仍处在厚有源区中状况，即电子仍具有三个自由度，也就是图3 3 所 反映出来的只是同一性质下的量变过程。 甲 g 蕾 宙 掣 鼍 一 有一层厚度椭 图3 3 双异质结激光器中的厶与有源层厚度的关系 6 0 年代末期，贝尔实验室的江畸( e s a k i ) 和朱肇祥首先提出，当所生长的晶体厚 度薄到半导体中电子的德布罗意波长( 约为t o n m ) 或电子平均自由程量级( 约为 5 0 h m ) 时，这种超薄层晶体中的电子与块状晶体中的电子有完全不同的性质，即出 现量子尺寸效应。量子阱半导体激光器正是利用这种量子尺寸效应工作的。量子 第三章半导体激光器 2 l 阱是窄带隙超薄层被夹在两个宽带隙势垒薄层之间。如果窄带隙与宽带隙超薄层 交替生长就能构成多量子阱( m q w ) ，如图3 4 所示。 在m q w e f l 如果各阱之间的如果的电子波函数发生一定程度的交叠或耦合，则 这样的m q w 也就是超晶格就犹如在晶体中微观粒子做周期有序排列一样。量子阱 结构的半导体激光器，其阈值电流可以达到亚毫安级，调制带宽达数十吉赫。量 子阱电吸收调制器的调制带宽可以在1 0 g h z 以上，而量子阱雪崩光电二极管的增益 带宽积可达7 0 0 h z 以上。 皇i 1 p m 1 2 5 鼻m ) ( 图3 4 量子阱结构示意图( a ) 单量子阱( b ) 多量子阱 3 2 3 表面发射激光器 ， 图3 5 平面腔表面发射激光器 c a )光栅耦合( b ) 4 5 0 结构 由图3 5 看出，相对于一般的端面发射半导体激光器而言，光从垂直于结平 面的表面发射已构成半导体激光器的另一种基本结构从7 0 年代末期发展起来的 这种激光器越来越显示出它的优越性。最早考虑表面发射是基于这种发射方式便 于制成二维列阵、容易得到有利于与光纤高效率耦合的圆对称的远场特性。最初 采取相通常双异质结类似的结构，光子振荡方向平行于衬底，因而称为平面腔。 半导体激光器光束准宣技术研究 一种结构是采取布喇格光栅从有源区耦合出激光，如图3 5 ( a ) 所示。另一种结构是 通过微加工技术在有源层的一端制成4 5 0 反射面镜，反射光从表面输出，通过控制 该面镜的反射率来控制激光振荡强度，如图3 5 ( b ) 所示。这类平面腔结构只是简单 地变半导体激光器的端面输出为表面输出，很难得到无像散的高质量光束；由于 受腔长的限制，不可能从表面得到输出功率一致的二维列阵激光源。况且，布喇 格光栅反射光束的方向随波长变化，而4 5 0 面镜结构输出光束质量取决于该镜的位 置、方位和平整度。由于受腔长限制也难以获得二维列阵，因此这类平面腔结构 的表面发射激光器很难获得实际应用价值。 随着并行光通信、大容量光存储、光计算与光互联等信息技术的迅速发展， 迫切要求获得均匀一致的二维列阵激光束，以用来进行并行的光信息存储、传输、 处理与控制。7 0 年代末期日本的i g a 等人开始研究垂直腔表面发射激光器 ( v c s e l ) 。所谓垂直腔是指激光腔的方向( 光于振荡方向) 垂直于半导体芯片的衬 底有源层的厚度即为谐振腔长度。由于有源层很薄，由式振幅阈值条件： 11 鼬= 口= q + l n ( 3 - 3 ) 山 可知，要在如此短的腔长下实现低阈值的激光振荡，除要求有高增益系数的有源 介质外，还需有高的腔面反射率，这只有到8 0 年代用能精确控制膜厚的外延膜生 长技术( 如m b e 和m o c v d ) 制成的量子阱材料和分布布喇格反射器d b r 才有可 能。i g a 等自1 9 7 9 年报导了v c s e l 在7 7 k 温度下工作后，对v c s e l 作出了一系 列积极的贡献。先后于1 9 8 4 年和1 9 8 8 年实现了v c s e l 在室温下脉冲和连续工作。 随着超薄层薄膜生长技术的不断完善，v c s e l 的性能正在迅速提高，与边发射激 光二极管相比具有很明显的特点： ( 1 ) 它的谐振腔不是依靠解理面而是通过单片生长多层介质膜形成，从而避免 了边发射中解理腔由于解理本身的机械损伤、表面氧化和沾污等引起激光器性能 退化。因为谐振腔是由多层介质膜组成，可望有较高的光损伤阈值。 ( 2 ) 由于激光器是单片外延生长形成，因而可高密度地形成二维列阵激光器， 同时便于对生长材料的质量检查与筛选。 ( 3 ) 由于能大面积、高密度地形成激光单元，故芯片的成本低。 ( 4 ) 容易模块化和封装。 ( 5 ) 由于在v c s e l 中谐振腔长很短，因而纵横间隔很大，易实现动态单纵横工 第三章半导体激光器 作。 ( 6 ) 可实现极低阈值电流( 亚毫安量级) 工作。 ( 7 ) 与边发射l d 的像散光束、远场呈椭圆状相比，v c s e l 发射圆对称且无像 散的高斯光束，因而无需对光束进行整形就能方便地与普通圆透镜或经类透镜处 理的光纤高效率耦合；同时可用于与v c s e l 对应的二维光纤( 或透镜) 耦合系统和 适当的定位装置实现列阵激光器的同时耦合。 ( 8 ) 可实现与其它光电子器件( 如调制器、开关等) 的三维堆积集成同时与大 规模集成电路在工艺上的兼容性，对光子集成和光电子集成均有利。 3 3 半导体激光器的优缺点口1 j 与其它种类的激光器相比，半导体激光器的优点如下： ( 1 ) 体积小、重量轻几乎所有的半导体激光器芯片的体积大小都l m m a 以 下，非常小即使包括必要的散热片和电源装置也能够成为非常小的小型系统； ( 2 ) 可注入激励仅用几伏的低电压注入毫安级的电流就能够驱动除电源装 置以外不需要其它的激励设备和部件。因为电功率直接转换成输出光功率， 所以能量效率高； ( 3 ) 室温下可连续振荡在空温附近的温度范围内大多数半导体激光器能够 连续振荡； ( 4 ) 波长范围宽适当地选择材料与合金比，在红外到可见光很宽的波长范 围内能够实现任意波长的激光器； ( 5 ) 增益带宽宽即使是一种半导体激光器，能够得到光放大增益的波长范 围也是很宽的因此在这个范围可以任意选择激射波长，能够实现波长调谐激光 器，也能够实现宽带光放大器； ( 6 ) 可直接调制把信号重叠在驱动电流上，在直流到吉赫兹( g k ) 波段 的宽频范围内，可以调制振荡强度、相位和频率； ( 7 ) 相干性高用单横模的激光器可以得到空间上相干性高的输出光： ( 8 ) 能够产生超短光脉冲采用增益开关和锁模等方法，以简单的系统结构 就能获得从纳秒( n s ) n 皮秒q s ) 的超短光脉冲； ( 9 ) 可批量生产由于是小型、层状结构，可以用光刻和平面工艺技术制作， 2 4 半导体激光器光束准直技术研究 适宜于大量生产； ( 1 0 ) 可靠性高由于是单片状，所以具有牢固的机械结构。因为半导体激光 器没有磨损的因素，所以不需要维修，而且寿命长，因此可靠性高； ( 1 1 ) 可单片集成化可以和光探测器、光调制器和电子电路元件集成在一个 衬底上，得到高性能的单片集成器件。 当然它也存在一些缺点和问题： ( 1 ) 温度特性差工作特性与温度有显著的关系，环境温度变化可以引起激 射。 ( 2 ) 频率、阈值电流、输出光功率等变化； ( 3 ) 容易产生噪声因为是利用高浓度的载流子，所以载流子的起伏会影响 有源区的折射率；谐振器的长度短，还采用了低反射率的端面镜子，所以激光振 荡容易受到外部返回光的影响。上述原因容易产生各种噪声和不稳定性； ( 4 ) 输出光发散输出光由端面以放射形式发出成为发散光。要获得平行光 束必须要有外部透镜。这些问题已作为半导体激光器的研究课题进行研究，并已 取得一定进展。 第四章半导体激光器光束准直整形技术综述 第四章半导体激光器光束准直整形技术综述 前文已经介绍了半导体激光器的结构特点及远场特性，我们也了解到半导体 激光器光束质量非常差，所以在半导体激光器的实际应用中，对其光束的准直和 整形以提高其光束质量是一件非常重要的事情，这也是本文的主要工作。而国内 外的很多研究机构对半导体激光器的光束准直整形技术进行了大量研究。在本章 的内容中，首先有必要对激光器光束远场特性作一些简单的介绍，随后就将对几 种典型的针对半导体激光器的准直和整形方法做以介绍。 ， 4 1 半导体激光器光束的远场特性 半导体激光器的机构特点和工作原理在前文中已经介绍过，在现实的应用中， 人们常用若干个激光发射单元( e m i t t e r ) 线状排列形成一个b a r ，由这样的单b a r 线 状排列构成一维线阵，再将一维线阵层叠排列就形成了二维面阵，这样就形成了 阵列。下面就将对单个e m i t t e r 的特性作一介绍。 甙界 ( a ) 垂壹于结平面方向豹光束( 平行予结平面矗向的光束 图4 1 激光器输出光束模型 由于半导体激光器的特殊机构，造成了其光束与其它激光极为不同的远场特 性【2 1 1 。在垂直于结平面方向，如图4 1 ( a ) 所示，光束的束腰在激光器的解理面上， 而在平行于结平面方向，如图4 1 所示，光束的束腰应位于激光发射腔内，因此 这两个方向上的光束的束腰是彼此分离的，即具有简单像散特性，图4 1 是激光 器输出光束的一个简化模型。 对于一个e m i t t e r 而言，由于在平行于结平面方向发光区尺寸很大，大约为1 0 0 5 0 0 肛坍( 具体数值由输出功率决定) ，此方向激光器不再会是处于基横模工作 状态，在远场一般表现为双峰结构。因此，可以用两个离心高斯函数来描述此方 向模式场分布，这里就主要介绍一下这种远场模型。在垂直于结平面方向，发光 半导体激光器光束准直技术研究 区尺寸与小功率l d 相当，模式场分布仍为基模分布。因此大功率l d 输出端面附近 的场分布可表示为： z ( z ，j ，) = “0 士e x p ( 一p l x 1 ) e ) 似一q y 口+ 啦y )( 4 1 ) ki 弋- ，7 t 由( 4 1 - 1 ) 式可以看出，在y 方向这是两个传播方向偏离z 轴的高斯分布。其中d 函，q - ，幺，k - 是与波导结构有关的参数，幺，k - 定义为偏心参数。将源场分布 带入远轴光传播方程中，就可分别算出两束光的远场分布为。然后再将这两束光 叠加起来就可以得到最终场强： 如舻川盯； _ 割胖唧 - 驾p + e x p 一驾半 ( 4 2 ) 舯： 4 = 嚣函 r 2 = 吾一 q ：= 等r 2 s i n 色= 七k 参数4 和爿表示两个离心高斯模式对光强的贡献不等。( 4 2 ) 式是描述单e i i l i t t 盯大 功率l i ) 远场分布的基本表达式阴1 1 。 4 2 半导体激光器光束准直整形技术 4 2 1 圆柱透镜系统【3 2 3 3 】 z 图4 3 圆柱面洚培准吉m 霎述一黧喜篙嚣 警光源：将其安装地与圆柱透镜的轴线；行，“：二：三作沿慢轴方向的 方向发散光是非均匀柱面波，与光轴面成毒二二：俐瞄龙榴平面，激光束的快袖 么 掣z ) 二： z 碱篡篡凇横莓麓警篡蝴蝴糊r ， 竺塞黧：，透锄料的折采篡篡乏：麓 翥篡篡篓距黧劬姒圳圳淼：嚣蒜； ：竺竺表! 黝锄；再经透镜后表磊篡麓矽 光竺竺赫口，在蚍入射跏嘲棚。“灿明驯m 关系腑烨蜘讽龇跚朔蚴容二蒜枞懒 半导体激光器光束准直技术研究 口：与万一2 ( n 1 ) 足】a 一錾学【( n 2 + n + 1 ) k 2 - n 2 矿睁3 ) n 3 n 。 其中一：堕，s i n ；三s i n 口：墨s i n 口， n o n 如果令彳= 三m 一2 ( n 一1 ) 置1 且b = 掣 ( n 2 + 1 1 + 1 ) k 2 - n 2 1 ，则有： 刀j 玎 口= a a + b a 3 ( ) 根据上面得到的结论，圆柱透镜准直系统的设计主要是考虑爿、b 的取值，事实上 就是参数和n 的合理选择。在尽量减小出射光束发散角的目标下，分别来讨论4 、 b 的取值。只要适当的确定1 4 ，b 的值，就可以使光束得到最佳的准直效果。 在实际的应用中，我们认为使用圆柱透镜准直半导体激光束的方法是简单易 行的，在要求不是很高的情况下，基本可以满足准直的要求，比如当快轴方向发 散的半角宽为3 0 0 时，准直后的远场发散半角可达1 3 0 。但是，我们可以看出圆柱 透镜的准直效率并不太高，在准直度要求很高的情况下，该方案往往难以满足应 用要求。 4 2 2 非球面柱透镜准直系统叫 常用的非球面柱透镜其入射面通常为平面，为了提高准直效果，其出射面一 般要加工成非球面，如图4 5 所示。下面是对其准直原理的简单介绍。 d d n o n s p h e r i c a ll e n s 斗一 ，一 。二多 1 图4 5 非球面柱透镜准直光路 z z 图4 6 非球面柱透镜准直光路分析图 考虑光路的对称性所以只考虑上半部分光路。如图4 6 所示，a 是光线与旆自的 第四章半导体激光器光束准直整形技术综述 蓁| | 一) 图4 7 光纤耦合系统示意图 如图4 7 所示。在这里，条型激光线阵是以s p e c t r ad i o d el a b o r a t o r i e s s d l 3 2 3 0 - 1 为例，其输出光斑尺寸为1 0 m m x l p m 。在距离激光线阵出射面0 0 8 3 倍微柱透镜直径处放置微柱透镜，如7 t t m ，对其快轴的大发散角进行压缩。为了使 微柱透镜的直径与光纤线阵的尺寸相对应，微柱透镜的直径应d , 5 ：9 0 v m ，如8 0 t u n 。 半导体激光器光束准直技术研究 光纤线阵是由1 1 4 根裸光纤构成，其纤芯直径为8 0 1 a n ，数值孔径n a 为0 1 4 ，最 后排成的光纤束直径为1 1 m m ，这样，即使得1 0 m m x l t t m 的长方向光斑转化为直 径为1 1 m m 的圆形光斑。为了把多根光纤粘和在一起，要找到一种低折射率的、可 以打磨的粘合材料，这里使用的是折射率为1 4 0 7 的e p o t e k3 2 8 。系统大功率的 耦合效率为6 7 。 这种方案的设计中可以用于提高耦合效率的方法主要有： ( 1 ) 在光纤耦合系统的输入端连续排列光纤； ( 2 ) 光纤耦合系统输入和输出端面镀a r 膜： ( 3 ) 采用间接耦合的方式，先用微柱透镜将l d 的快轴方向进行准赢再耦合进光 纤，这样得到的光束空间发散均匀。 ( 4 ) 通过面阵列或将单个l d a 的光纤耦合系统的输出端面再捆绑在一起达到 高功率的目的，但是这样并不能提高泵浦光的亮度。 这种光纤耦合输出不仅简化了应用条件，也改善了输出光束的非对称性，且 激光束经过一段距离的光纤传输后，在输出截面上的强度得到匀化，提高了输出 光束的质量，传输过程中的光能损失也很小，同时还可以实现多个l d 光源之间的 输出光耦合或组合，使输出功率得到相对于单管数十倍的提高。但由于从l d 出射 光的模式与光纤的模式无法匹配以及光纤阵列的填充因子受限，这种耦合技术得 不到高亮度的光，而且系统体积难于压缩，l d 和光纤的对准比较困难。 4 2 4 棱镜组折反射光束整形方法【3 7 l 美国的a p o l l oi n s t r t t m e n t 公司提出了几种高效的光束整形方法，其中一些还创 造了亮度的最高记录。其整形思想利用由棱镜组组成的光束整形器中的棱镜组的 折反射将l d a 光束在慢方向上按照微镜尺寸分成许多段后在快方向重排，结果光 束的 严因子在慢方向上被减小栉倍，而快方向上增加以倍，原理如图4 8 。该方 法重排光斑较好，能大大提高l d a 光束质量，易于实现，结构调整简单，微镜数 不受l d a 节数限制。 其中，一种典型的方法是通过两组棱镜来分割和重排l d a 光束。第1 组个 棱镜用来将l d a 光束在慢方向分割成疗部分后，第2 组栉个棱镜用来在快方向上 将分割后的万部分光束重捧列。棱镜组把l d a 的出射光束沿慢方向分割，并沿快 方向重新排列，从而改善了 严因子既用到了棱镜的反射也用到了折射特性。如 图4 8 ，两组棱镜中，各片棱镜以斜边为基准，依次按一定间距错位放置，光束在 第四章半导体激光器光束准直整形技术综述 3 l 不同位置被截成一段段的。第1 个棱镜组把出射光束沿慢方向分割成 图4 8 两组棱镜光束整形 一组光束段，这组光束从棱镜组斜边入射，入射表面的线光源与棱镜组的内表面 成一定的角度，在各片棱镜中反射两次后从斜边出射，并沿着慢轴方向被分成很 多段，由于棱镜片有错位，所以出射光束段也顺次产生错位。然后出射光进入第2 个棱镜组，被重新排列输出。结果从l d a 出射的光被整形成一个光斑，两个方向 上的 严因子相近。用两组光楔( 或折射棱镜) 进行光束分割和重排也可得到与乃一 样的光斑。 这种方法只要将每一片棱镜对准一个发光源，就可消除l d a 不连续对光束质 量的影响，比较成功地解决了光束整形的质量问题。 4 2 5 异型棱镜光束整形方法【3 8 3 9 图4 9 异型棱镜器件 西安电子科技大学的研究生高权华及曾晓东教授及人研究设计出异形棱镜光 束整形方法，异性棱镜光束整形方法的实物图如图4 9 所示。 用光线追迹法来说明光束经异形棱镜变换的机理，可分为两步，这里以垂直 于结平面的剖面为例加以讨论。如图4 1 0 所示。第一步，光线经空气传输至棱镜 入射面，于瓴，乃) 处发生折射，根据s n e l l 定律，s i n o = n s i n 0 1 ，由于n l ，故而9 研， 发散角得到初步压缩，并且 竺兰呈堡燮室堡塞垫查塑塞 2码(4-7) 乃一朋。“一x o ) t a n e ( 4 8 ) 其中，( x o ，儿) 为e m i t t e r 的坐标，而为e m 岫到入射面的距离。 图4 1 0 异型棱镜光束整形原理分析 。 第二步，对于大发散角的光线，在棱镜侧面( 而，兕) 处发生全反射，反射光线 相对于光轴的夹角受到压缩。 儿一m2 如一五) 伯吐岛( 4 9 ) 儿一骂2 ( 恐一毛) 切m 口( 4 - - 1 0 ) 其中，届为入射面的宽度，总为出射面的宽度，口是斜面的倾角，满足 t a n 口一t 2 工- i 睁1 1 ) 其中，工为棱镜的长度。反射光线与光轴的夹角为岛 岛= 岛一2 a ( 4 1 2 ) 可见，光束的发教角得到了压缩，压缩的大小可由件1 1 ) 式得出。全反射光线 经出射面包，乃) 处折射后出射选择适当的参量就可获得所需形状的高亮度匀强 分布的光斑。按图4 1 0 中的几何关系，有 而=工+西(4q3) 乃一儿2 也一而) t 缸岛 “1 4 ) 第四章半导体激光器光束准直整形技术综述 图4 1 1 经过异型棱镜整形的光束输出图 其中，岛为( x 3 ，乃) 处的入射角。 毛= 玛+ 畋( 4 - 1 5 ) 儿一y 3 = ( 毛一x o t a a 0 3 ( 4 - 1 6 ) 其中，西为出射面到接收器的距离，岛为瓴，乃) 处的折射角，s i n 岛= n s i n 0 2 半导体激光器光束在经过该系统整形后，其光强如图4 1 l 所示。其中，图( a ) 分别表示半导体激光器光束经过异型棱镜系统整形后的光束在垂直于结平面的整 形输出光强，图表示半导体激光器光束经过异型棱镜系统整形后平行于结平面 的整形输出光强，图( c ) 表示半导体激光器光束经过异型棱镜系统整形后的三维光 束整形输出。 利用该方法可以得到4 m m x 6 m m 的近似均匀的光斑，在这个范围内的光能量 占总辐射能量的8 0 ，作为一种十分简单的系统获得这样高的效率对许多应用场 合是十分重要的。改器件又经改进，将输出面设计成平面，得到了7 m m x 7 m m 的 半导体激光器光束准直技术研究 均匀光斑，光强起伏小于5 ，在这个范围内的光能量占总辐射能量的7 7 ，与异 性棱镜的性能进行比较，发现两棱镜的性能相差不大，但由于这种新器件两端面 都是平面，所以其结构更加简单，应用更加方便，有着重要的利用价值。 对于堆积式半导体激光器，异性棱镜式一种结构简单、造价低廉、高效的光 束整形元件。通过适当选择棱镜的结构参量，可以在输出像面上得到较均匀的光 斑。这对许多重要应用，如医疗等场合是非常有价值的。 4 2 6 二元光学整形系统 4 0 - 4 3 1 二元光学是上个世纪8 0 年代发展起来的一门新兴光学分支，二元光学元件 ( b i n a r yo p t i c a le l e m e n t ，缩写为b o e ) 是基于光波的衍射理论，在计算机制全息图 和相息图研究发展的基础上，利用计算机设计和微电子加工技术研制成的一种高 效率的新型光学元件；它具有两个或多个台阶深度的浮雕结构。由于它能灵活控 制波前，因此在光束整形方面有着广泛的应用前景。 一二元光学的基本原理 类似于菲涅耳透镜，将其斜边用一个一个的台阶来代替，当台阶数很多时， 就等效于一个菲涅耳透镜。二元光学元件就是利用v l s l t 艺，对模扳经多次曝光， 再用化学湿刻或离子束干刻的方法制作成台阶型浮雕结构，其台阶数为2 力，所以 称为二元光学。二元光学元件本质上是衍射型器件，它可以改变光的相位进而调 整其波前，当用于整形或准直目的时，我们可以根据整形后光所应具有的振幅和 相位特点来设计二元光学元件的浮雕结构。 酱通折 射透镜 l i ll ； 连续浮滩 弼以1 一一，一一一f 、心八衔射透镜 m 九、卜淋翥麓毳 图4 1 2 折射透镜到二元光学器件浮雕结构的演变 二元光学元件的衍射效率是我们必须关注的问题。在标量近似下，以一维锯 齿形相位光栅为例，如图4 1 2 所示，设t 为其周期，锯齿深度为巩材料折射率为撑， 丑是工作波长，为第脚级的衍射效率，则： 第四章半导体激光器光束准直整形技术综述 ，7 埘= ( 4 1 7 ) 图4 1 3 多阶相位轮廓光栅 一般我们主要考虑第一级的衍射效率，即坍= 1 的情况。在二元光学技术中，是以 台阶状的轮廓逼近锯齿形的相位轮廓，如图4 1 3 所示，其中( a ) 、( ”、( c ) 分别对应2 ， 4 和8 个台阶。设每个台阶的高度相同，台阶总数= 2 n ，则1 级闪耀的衍射效率 为： 吲s i n 石( ，r 工l ) 1 2 件1 8 ) 计算得出，当l f f i 2 ，4 ，8 ，1 6 时的衍射效率分别为4 1 ，8 1 ，9 5 ，9 9 。 二二元光学器件整形原理 首先，把l d 线阵均分成个子单元，每个子单元包括朋个小激光器。然后， 分别用个双焦距的偏心菲涅耳透镜来对这些子单元的出射光束进行变换，这些透 镜位于同一平面上，成矩形且密接。经过变换后，个子单元的出射光束由线形排 列变为矩形排列，且快、慢轴方向的发散角都得到了压缩，还可以通过选择合适 的器件参数来使得每束光在快、慢轴方向的光斑大致相同。由于此时各光束的传 播方向偏离了系统的光轴方向，所以还需要进行校正。最后，用个特殊的二元光 学器件来同时校正光束在快、慢轴方向的传播方向，使之偏回系统的光轴方向 簿 3 6 半导体激光器光束准直技术研究 这些二元光学器件位于同一平面上，每个器件都相当于透镜和棱镜的组合。经过 上述变换后，各出射光束近似为平行光，输出光场截面为矩形，且填充比高，因 而光强均匀性较高，可以用一透镜将所有光强叠加于焦点，再耦合到固体激光棒 或光纤中。可以看出整形思想与前面介绍的成像系统类似，但成像系统是针对每