（光学工程专业论文）大功率半导体激光器光束整形技术研究.pdf

摘要 摘要 本沦文在总结了目前大功率半导体激光器光束整形技术的基础上，针对d p l 泵浦固体激光器、医疗等应用背景，研究和探讨了激光二极管列阵光束的场分布， 传输变换特性，提出了一种新型的半导体激光阵列光束整形器件。 论文对异型棱镜模型的光束整形情况进行了计算机模拟，结果表明其整形效 果良好。异型棱镜模型的一端面是曲面，这给加工带来了一系列的麻烦。为了使 得加工更加方便，应用更加广泛，这旱对异型棱镜结构进行了改进，将输出端面 简化成平面。论文中计算了s t a c k 型半导体激光器光束经改进后异型棱镜之后的光 强分布情况，计算了9 1 9 的s t a c k 型半导体激光器经异型棱镜整形后的光强分布 情况。结果显示其光强分布是平顶的、约是7 m m 7 m m 的均匀光斑。与异型棱镜 的性能进行比较，发现两棱镜的性能相差不大。由于这种新器件两端面都是平面， 其结构更加简单，应用更加方便，造价低廉，有着重要的实际应用价值。 本论文的研究结果对促进激光二极管列阵的广泛应用有重要的实际意义。 关键词：激光二极管阵列光束整形异型棱镜 a b s t r a c t a b s t r a c t s e v e r a lm a j o rm e t h o d so fb e a ms h a p i n go fh i g hp o w e rd i o d el a s e r sa r er e v i e w e di n t h i sp a p e r t h ec h a r a c t e r i s t i c so fi r r a d i a n c ed i s t r i b m i o n ，p r o p a g a t i o na n db e a ms h a p i n g o fl a s e rd i o d es t a c k sa r es t u d i e d ，w h i c ha r ei m p o r t a n tf o rd e s i g n i n gb e a ms h a p i n g s y s t e mi nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n so fd i o d ep u m p i n gs o l i d s t a t el a s e r ( d p l ) ，a n d m e d i c a la p p l i c a t i o n an e wb e a n as h a p i n gd e v i c eo fd i o d el a s e rs t a c ki sp r e s e n t e di nt h i s p a p e o n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sm a d et ot h ep y r a m i d s p h e r i c a lb e a ms h a p i n ge l e m e n t a n a l y s i ss h o w st h a t t h i ss h a p i n ge l e m e n th a sg o o dp e r f o r m a n c e h o w e v e r ，t h eo u t p u t e n do ft h es h a p i n ge l e m e n ti sas p h e r e ，i np r a c t i c ei ti sd i f f i c u l tt op o l i s has p h e r i c a l c u r v ei nap y r a m i de n d w er e p l a c ea s p h e r i c a lo u t p u te n db yap l a n ep e r p e n d i c u l a rt o t h eo p t i c a la x i s a n a l y s i sa n dn u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i sn e ws h a p i n gd e v i c ec a n b eu s e dt ot r a n s f o r mt h eo u t p u tl i g h to fal d s t a c ki n t oap l a t - t o pb e a md i s t r i b u t i o n t h eo u t p u ti n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no ft h et w o d i m e n s i o n a ll i g h ti n t e n s i t yi sg i v e nf o ra s t a c kd i o d el a s e rc o n s i s t e do f9s t r i p e so fd i o d el a s e rb a r s a n a l y s i ss h o w st h a ta n u n i f o r n al i g h to f7 m i nx7 m mc a r l b eo b t a i n e db yu s i n gt h i ss y s t e m t h ea d v a n t a g eo f t h en e ws h a p i n ge l e m e n ti st h a tt h es t r u c t u r ea n df a b r i c a t i o no ft h i ss y s t e mi ss i m p l e t h er e s u l t so f t h i sp a p e rc o u l db eu s e f u lf o rm u c hp r a c t i c a lw o r k k e y w o r d ：l d ab e a ms h a p i n gp y r a m i d - s p h e r i c a le l e m e n t 独创性( 或创新性) 声明 y 6 9 5 7 3 3 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 他教育机构的学位或证书而使用过的材制。与我一i 司工作的同志对本研究所作的 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 本人签名：高全笙 本人承担一切相关责任。 h 期：之丛：查! 垦 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。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 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 部和部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 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：墨全堡 跏魏燃 同期：抽r l 膳 日期：埘f 无，8 第一章绪论 第一章绪论 信息技术已成为当今全球性的r 剐各技术。以光电子和微电子为基础所支持的 通信和网络技术已成为高技术的核心，正在深刻影i i 向着田民经济、国防建设的各 个领域。其中，半导体激光器起着举足轻蘑的作用。激光是2 0 世纪的重大发明之 - ，它具有良好的j 1 l 包f l - 、，h _ | 二f t l i 、方阿睫和高强度的特点，其应用已遍及工业、 军! 肛、通信、l 延。汞】利学研究等诸多领域。 1 1 大功率半导体激光器的发展及应用 1 9 6 2 年出现的半导体激光器，以其转换效率高、体积小、重量轻、可靠性高、 能直接调制以及与其它半导体器件集成的能力强等特点雨成为信息技术的关键器 件。其发展速度之快、应用范围之广、波长覆盖范围之宽都是其他任何类型激光 器所不能比拟的。它的出现使得作为“信息基础设施”主体的光纤通信成为现实 并褥以迅逮发展：使得以光盘为主体的信息存储技术及激光复印技术不断更新换 代。随着它的输出功率、相干性的不断提高，新材料和新结构的不断涌现，半导 体激光器的应用已不再局限于信息领域，它也在材料加工、精密测量等方面一展 宏图，晶示j i 巨大潜力，证在迅速占领过去出气体和固体激光器所占据的一些市 场。半导体激光器作为牛h 二i ：光泵浦源将使固体激光器发生革命性的变革，获得新 的生命力。 正是由于半导体激光器具有从紫外到近红外的一个极宽广的范围内有着大量 不同波长的激光输出，有着易维护、易操作、可靠性高等特点，很适合于在生物 和医学方面的应用。近年来，随着半导体材料和研制： 艺的不断进步，大功率半 导体激光阵列的研究永j 应用都得到了快速的发展。半导体激光器的发展大概经历 了三卜阶段”2 1 。 第一阶段是以1 9 6 2 年美国首先研制成g a a s 同质结半导体激光器为开端，即 同质结构注入型激光器。此类激光器有一个共同的致命弱点，即受激发射闽值电 流密度特别高，通常为5 1 0 4 a c m 2 - 1 1 0 5 a c m 2 ，因此只能在液态氮( 或更低) 和脉冲状态( j k k 宽l g s ，占空比 0 1 ) 工作，因而无实用价值。1 9 6 3 年美国的 k r o e m e r 和i i i f 苏联科学院的a l f e r o v 提“j 把一个窄带隙的半导体材料兴在两个宽带 隙半导体之间以形成异质结构唑希望在窄带隙半导体中产生高效率的辐射复合， 似l h 于：_ = 艺技术上的困难而长期没有得到解决，不过却大大激发了科学家们的研 究兴趣。自那以后，异质结材料的生长工艺取得了长足的发展。1 9 6 7 年i b m 公司 的w o o d a l l 成功地异j 液相外延生长技术制成了g a a s g a a i a s 单异质结激光器， 使阂值电流下降了一个数量级，大约为1 0 3a c m 2 ，但是这种激光器仍然不能在室 人功率、卜导体激光器光求螋形技术研究 温下连续工作。在1 9 6 8 一1 9 7 0 年期f 自j 美国贝尔实验室的p a n i s h 、h a y a s h i 和s u m s k i 研究成功a i g a a s g a a s 单异质结激光器，室温阈值电路密度为8 6 x1 0 3 a c m 2 ，标 志着半导体激光器进入了第二个发展阶段单异质结注入型激光器( s h l d ) 。 正当美国学者们致力于单异质结激光器的研究时，前苏联科学院的a l f e r o v 等人宣 柿研制成功了双异质结构半导体激光器( d h l d ) 。就在相同期问，1 9 7 0 年初，美 国的h a y a s h i 和潘尼希也报道了双异质结激光器实现室温发射，3 0 0 k 下的阈值电 流只有2 3 1 0 2 a c m 2 。这比单异质结激光器的闽值电流密度又降低了一个数量级。 这标志着二卜导体激光器进入了第三发展阶段双异质结注入型激光器。 大助率半导体激光 作为一种新型的激光光源具有较高的电光转换效率和可 靠的工作稳定性及紧凑的体积和简单的驱动要求，具有极其广泛的应用_ | ；i f 景p 。 大功率半导体激光器最重要的用途之一就是泵浦固体激光器“( d p s s l ) ， 该器件可提供数千瓦的准连续输出功率及数百瓦连续输出功率，总的泵浦效率高 达3 0 ，并能够可靠工作，寿命可达上万小时。美国国防部在其关键技术计划 中将其概括为比灯泵浦固体激光器“效率提高1 0 倍，寿命增长1 0 0 倍体积减小 l o 倍，可靠性提高1 0 0 倍”。依固体激，色器的不同功率要求，d p s s l 可采用单元 半导体激光器或光纤耦合输出阵列半导体激光器或二维阵列高功率半导体激光器 作为泵浦源进行泵浦。目前最常用泵浦源主要有三种：一是8 0 8 n m 波长的半导体 激光器，主要将其代替传统| 勺脉冲氚灯来泵浦n d ：y a g ，n d ：y v 0 4 等固体激光材 料，得到体积小，泵浦效率高n 勺仝固态激光器：经非线性光学晶体倍频后可得到 蛾绿光全吲念激光 ，用j i 激光ll l 视、全色鼎示、光擞信息处理等。另一种是9 4 0 n t o 或者9 15 n m 波长的岛功率半导体激光器，其主要用于泵浦y b ：y a g 固体激光器， 陔类激光材料具有较宽的光谱吸收区，有利于获得高效、高稳定的固体激光输出； 还有一种是应用在掺稀二卜元素( 如铒、镨等) 的光纤放大器或光纤激光器上，如 用波长为9 8 0 n m 或1 4 8 0 1 m a ，功率为数卜毫瓦的半导体激光器泵浦掺铒光纤，可以 得到高的增益系数，从而使光信号得到3 0 d b 以l ：l t j 增益，这一技术在光纤通信中 得到了极为重要的应用，起到信息高迎公路一k j i i n i d i t ：l , j 作：t j ，被认为是继低损耗 兜纤发恻之后光纤通信发展史0 义一个坦程碑。 大助率半导体激光技术还是发j 陡咽防l l i i ) l k 的重要技术4 。蛳h ，广泛的应用在激 光通讯、激光制导跟踪、激光甫达、激光测距( 实时测定运动目标，如f 武装直升 机、坦兜、航弹、导弹等及酹i i ：h 柄, i t q i 离) 、激光武器模拟、激光瞄准与告警、激 光探滞、激光敏阿武器等0 i 。j 领域i 。硼方发达蚓家都非常重视火功率半导体 激光* ： f 1 0 研究及托年_ | ：j ；上的应川，爻田国防i l j 、宇航局、各军兵利- 以及国家实 验寰等2 0 多个部门都在为武器裟街研制大功率半导体激光器及其阵列。出于半导 体激光阵列在军习领域的重要应用，“九五”之前，吲际上一直在2 0 瓦以上的激 光阵列项目上对我囤限运，对涉及模块糨合封装等关键：亡艺技术也，一加保密。 第一章绪论 在宇航方面，半导体激光器光纤耦合模块成为太空航天飞机试验的关键器件。 八十年代初，美国宇航局约翰逊空间中心微波和激光部就用自由空间测距系统， 为实现空间飞船与航天飞机的交汇进行了试验，以便使航天飞机具有与卫星对接 的能力。美国马歇尔太空飞行中，t b ( m s f c ) 和n a s a 的科学家们在1 9 9 7 年1 1 月1 9 只发射的哥伦比亚号航天飞机上执行的飞行实验中采用了美国 o p t o p o w e r 公司生产的8 个半导体激光器光纤耦台模块，使这两个无人驾驶宇 宙飞船在太空中安全有效地实现对接。 在t _ , l k 生产过程中，大功率半导体激光器可广泛地用于激光打孔、切割、焊 接、钎焊、划片、激光材料表面硬化处理、激光烧结、热压成型等方面【l ”，这 些应用一般不要求特定的波长，加工效应主要是热效应，所以可以使用任何近红 外半导体激光器模块，通常使用的器件以a i g a a s 和i n g a a s 为基质，发射波长分 别为8 1 0 n m 左右和9 6 0 r t m 。用大功率半导体激光模块焊接塑料和用超声或加热工 具之类的非激光方法相比，激光焊接在对付复杂几何形状方面有明显的优势。 除上述应用之外，大功率半导体激光器在农牧业上，医疗保健上用于激光手 术、激光美容、激光针灸等 2 2 - 2 4 】。在基础科学研究方面，大功率半导体激光模块 在原子物理、高能物理微观粒子、基本物理现象的研究中也发挥着重要的作用。 随着技术的f i 趋成熟，模块化、集成化进一步加大，上兆瓦超大功率半导体 激光器的制造将会变成可能，其应用的基本发展方向是：激光热核聚变、裂变、 激光在空间、工业，矿业、建筑业中的应用，拆除原子能反应堆和清洗放射性污 染，激光诱发闪电，用短脉冲和超短脉冲对物质进行激光烧蚀，激光分离同位索， 激光加速粒子，三维结构造型，激光发射火箭，激光改变空问飞行物体运行轨道 等。相信随着技术的发展，大功率半导体激光器的应用将不断扩大，甚至一些意 想不到的领域也可以应用激光。 延长半导体激光器的使用寿命，提高半导体激光器的可靠性，增大半导体激 光器的输出功率一直是人们在半导体激光器研究中不懈努力和追求的目标。但由 于单管的有源区体积小，输出功率受限于腔面灾变性失败，般单个的p n 结半 导体激光器的输出功率是几、几十或几百m w 量级。因此为了获得高的输出功率， 人们发明了阵列辐射单元( e m i t t e r ) 输出功率可达1 w 以上。 近年来由于泵浦固体激光器及材料加： 等应用领域对高功率的需求，又出现 了输出功率更高的半导体激光器条型( b a r ) 和二维堆积( s t a c k ) 阵列，这类列阵 是由多个激光发射单元( 每个单元相当于一个半导体激光器) 构成的。由于非对 称光波导的影响，每个激光器输出的光束在垂直于结平面方向( 快轴) 和平行于 结平面方向( 漫轴) 出现较大的差别：1 两个方向有较大的且不对称的发散角； 2 两个方向的柬腰不在同一位置上，即存在固有像散：3 一个发射单元在快轴 方向源尺寸很小( 约为1 9 m ) ，而在慢轴方向源尺寸很大( 约数g i g s n ) 。这些特性 人功率小导体激光器光粜整形技术研究 给实际应用造成很大麻烦，半导体激光器列阵的输出光束必须要经过光学系统的 整形之后才能实际应用，包括对光束进行准直，像散校识及圆化处理等；在侧面 泵浦固体激光器材料加工等应用中还要求对光束进行均匀化处理。 西安电子科技大学从9 0 年代起就对半导体激光器的光场理论作了大量的分 析，给f j 拙述非傍轴光波传播的远场公式1 2 “，在国际一i - 率先提出了半导体激光器 非傍轴模型1 2 “，并在国家自然科学基金和国防预研基金等的资助下，对该光波的 准直、聚焦、耦合l ”9j 作了深入研究，( 如半导体激光器与锥形光纤、铲形光纤和 抛物形光纤的耦合) ，在此基础上，本文进一步探讨了列阵( s t a c k 型) 器件光束 传播规律，设计出合理的光学系统很好的实现了激光二极管列阵光束的整形。 1 2 本论文的主要工作 本课题来源于自然科学基会项目“大功率半导体激光器光场特性研究”。 本文的内容主要出三大部分构成：激光二极管阵列的光场理论分析、光束传 输的研究方法以及光束整形元件的设计。具体分为五章，各章的主要内容如下： 第一章简单介绍了半导体激光器的发展状况及其主要应用。 第二章对耦合光学系统设汁中要用到的一些理论知识进行介绍，包括半导体 激光器的卒n i j 模式，高斯光束的变换原理。 第三章简单介蜊激光二极管阵列光场特性，包括激光二极管线性阵列光束特 性，及堆积式激光= 极管阵列光场特性。对近年米国内外报导的半导体激光器列 阵光束整形的一些方法进行了介绍。 第四章激光_ 极管阵列光束搀形技术，这啦提出了一利，新型勺光束整形器 件，并刷计算机模拟了其光强输m ，结粜表i j 目这是一种商效实用f 1 , 0 光束整形器件。 第，i 章对全文内容的总结及对今后工作的展望。 我v j t i - 总锚内外报导的半导体激光器列阵的各利，整形方法的基础上提出 了一种人功率半导体激光器而阵光束牝形系统，用计算机模拟了山9 条b a r 构成的 s t a c k ) 融器仆经该牲形系统的光场分枷，结果表i ! j j c 整形效粜好。陔控形系统结 构简卟。加t 方便，造价低廉越一利r 经济实用的大功率半导体光束整形器件， 川应川h 乍多实际场合。 第二章基本理论 第二章基本理论 本章首先介绍了几何光学的基本理论，然后对矩阵光学法作了简单介绍，再 从m a x w e l l 方程组的经典电磁场理论出发，描述了激光束传输变换的基本衍射积 分公式，重点讨论了非傍轴光波的传输变换规律，最后描述光斑半径、远场发散 角以及光束质量因子等特征参数。 2 1 几何光学方法 在研究光束传输变抉的各种方法中，以几何光学方法最为直观。它用几何学 方法来研究光线的运动轨迹，以光的直线传播定律，反射和折射定律三大实验定 律为基础。 2 1 1 费马原理 几何光学的基本原理是费马( f e r m a t ) 原理。按照这一原理，沿光线真实路经上 光程的变分为零，即 5i n d l = 0 ( 2 一1 ) j 式中”为传输介质折射率；d ，为空间路径元。 2 1 2 光的反射、折射定律 从费马原理出发，很容易推出几何光学三大定律。当光入射到透明、均匀、 各向同性的两种介质的平滑界面上时，一般情况下，一部分光从界面上反射，形 成反射线：一部分光将进入另一介质，形成折射线，如图2 1 所示。将入射线与入 射点处界面法线构成的平面称为入射面，入射线、反射线、折射线与界面法线 入 幽2 1 光的反射弄折射 折射线 肆面 大功率半导体激光器光束整形技术研究 的夹角分别称为入射角、反射角和折射角。利用费马原理可以得到： 光的反射定律：反射线位于入射面内，反射线和入射线分居法线两侧，反射 角等于入射角，即 i ，= i l( 2 r 2 光的折射定律：折射线位于入射面内，折射线与入射线分居法线两侧，入射 角的正弦之比为一与入射角无关的常数，即 罢= 鱼：”：l ( 2 3 ) s l r l l 2 胛 或 s i n = n 2s i n i 2 ( 2 - 4 ) 上式中常数”】，n 2 分别为第1 神和第2 种介质的折射率；2 l 称为第2 种介质对第 1 种介质的相对折射率。 2 2 矩阵光学方法 3 0 , 3 1 】 矩阵光学，即用矩阵代数方法研究光学问题，最初本质上并未超出几何光学 范畴。但随着激光的发明和激光科学技术的发展，矩阵光学研究范围迅速扩大， 并显示出它处理问题简明、规范化和便于计算机求解的优点。因此随着激光科学 技术的迅速发展，得到了广泛的应用和推广。 根据傍轴近似下的光线方程式，在考虑线性变换的条件下，可以用矩阵形式 来表示光线的传播规律，或者既用矩阵形式来描述光学系统对光线的变换作用。 研究任意一个垂直于z 轴的横截面( z 。) 上的光线参数，光线与该横平面交点的坐 标& ，1 ) ，以及交点处光线的切线方向，表示了该处光波的位置及其传播方向。将 z ：z l 处光线参数写为4 1 的列矩阵的形式 x i y 1 商 p i 式中稿、旧为咳点光线切向方向与x 、y 轴的方向余弦。同样，在f 忍的横平面上， 光线的状态可以用相同的列矩阵表示，仅将下角标改写为2 。几何光学理论已经证 明，适当选择光轴后，由= 一t 和f ：2 之问的光学元件或介质组成的光学系统，对 傍轴光线的变换是线性的。这种线性变换作用可以写为矩阵关系式： 第二章基本理论 7 x 2 y 2 如 仍 = m m 幽 仍 ( 2 5 ) m 是一个4 4 矩阵，通常称为光学系统矩阵。所考虑的两个横平面，称为参考平 面( r p ) ，或者称为光学系统的入射面与出射面。显然，参考平面选取不同，光学 系统也不同，该系统列光线的变换作用不同，代表该变换作用的变换矩阵m 也不 同。 实际上的光学系统大多是轴对称的。若选择光学系统的公共对称轴为z 轴， 那么在任何包含z 轴的平面内，光学系统对光线篪加的变换作用是完全相同的。因 此，光线的参数可以只用两个参数表示 t 代表。式( 2 5 ) n 化n ( 护( 烈 光学系统地变换作用则用一个2 2 矩阵 ( 2 - 6 ) 式中，一、b 、c 、d 是艾抉矩j 5 孚t 趵兀索r ，是光线禹外军田线z 日可垂且妲呙。征芳 轴光线近似下，与x 或者y 轴夹角的方向余弦，就等于光线与z 轴夹角0 的正弦值。 当目很小时，该正弦值可用目角的弧度值表示。因此，口是用弧度表示的光线传 播方向与z 轴的夹角。 下面，从几何成像开始对矩阵光学方法进行讨论。对一般轴对称光学系统。 设入射空间中与参考面r p ；相距f ，的光线矢量l x q , j i ( x l 为光线位置，口- 为光线方向) 将变换矩阵为 ： 的光学系统变换后，在出射空间中距参考面r p ：为厶处对应 的光线矢量为 襄 ，则由 i 至 茇 总的变换矩阵为 肘= 矧= 弦嘲+ 鬻“v 刁 ， 陆 纠嘲 ( 2 - 8 ) 几何成像的基本条件为b = 0 ，它表示在同一物方参考面上，满足傍轴条件的 任意光束，经光学系统变换后，汇聚于像空间中的同一点。上式可以变换为 大功率半导体激光器光束整形技术研究 ，：一呈 尝 ( 2 9 ) 屯一一而 ”驯 这是矩阵光学处理几何光学问题的基本公式，对于几何成像的高斯公式，牛 顿公式、放大率公式和拉格朗日一霍姆霍兹不变式等，都可用上式统一加以处理。 显然，这些矩阵也能用来描述高斯光束的变换情况。设基模高斯光束在光学 系统r p l 处的g 参数用g l 表示，r p 2 处的q 参数用9 2 表示，r p j - r p 2 组成的光学 系统变换矩阵为 f b 1 l c d j 那么经过该光学系统变换前后的高斯光束参数满足关系是： 吼= 百a q l 历+ b ( 2 1 。) 因为有关系式： 三：土一旦( 2 一1 1 ) q r 册 将( 2 - 1 2 ) 表示为： 土：c + d q i f 2 1 2 ) q 2a + b q 1 式( 2 。1 0 ) 及式( 2 1 2 ) 称为高斯光束变换的a b c d 定律。它是用矩阵方法处理 高斯光束通过傍轴光学系统传输变换的基本公式。近年来，研究较为深入的是空 域中高斯光束通过非轴对称光学系统的变换，即简单高斯光束和复杂像散高斯光 束的传输特性。下面给出一些常用的典型光线变换矩阵。 表21 一些基本傍轴光学系统的变换矩阵5 1 自由空问m 1o 薄透镜 一二1 l0 球面反射镜 一二1 。r， 第- 二章基本理论 1o 平面介质界面 0 h a l 一， c o s ( 居 扣一 类透镜介质 一融c o s 居 2 3 波动光学衍射理论【3 0 3 f 1 2 3 ，j波动光学的基本方程 光频电磁场的普遍运动规律由麦克斯韦方程 7 x e ：堡 西 v d = p v x h ：j + 旦 甜 v b = 0 和物质方程 d = e o e + p b = ( h + m ) j = o e 描述，在线性极化条件下 p = z c o e 式中z 为介质的线性极化率。 在非磁各向同性的均匀介质中，由麦克斯韦方程组和物质方程可推导出电场 强度e 满足的波动方程 v 2 脚“盯百8 e 一心氏窨一脶譬= 。( 2 - 1 3 ) 对无损介质p = 0 1 有 v ：e 一 塑一土宴：o ( 2 - 1 4 ) c 二o tc 。a f 式中c 为真空中的光速。 若用e 表示复电场，则由( 2 14 ) 式可导出稳态电磁场的亥姆霍兹( h e l 埘山o l t z ) 方 程 大功率j f 导体激光器光束接形技术研究 v 2 e + k 2 商2 e = 0 ( 2 一1 5 ) 式中而为介质复折射率，i = 历。 在标量场假设下，( 2 一1 5 ) 式化为 v 2 e + k 2 i 2 e = 0 ( 2 1 6 ) 在真空中亓= 1 ，并设 e = a e x p ( - i c z ) ( 2 1 7 ) 且在缓变振幅近似 丝 k a a z a 2 a剐 j z ：一工l ，f j ，：- y ，f ( 2 2 1 b ) 时，上式化为惠更斯一菲涅耳( h u y g e n 争f r e s n e l ) 衍射积分公式 第二章基本理论 岛( 而，咒) = 一去e x p ( f 地) 巨( 砩y i ) e x p 差 ( x ；一x ? ) + ( 建一订) ) 嘲嘲( 2 - 2 2 ) 若进一步增大l ，使满足夫琅禾费( f r a u n h o f e r ) 条件 鲁k + y 瑰。 ( 2 2 3 ) 因此，( 2 2 2 ) 化简为夫琅禾费( f r a u n h o f e r ) 衍射积分公式 护c 一扣警 j ec 五，y ，e x p 一警c 玉t + m y ：， 西c ，( 2 - 2 4 ) ( 2 1 9 ) 、( 2 2 2 ) 和( 2 2 4 ) 是经典标量衍射理论的基本公式，对很多情况的衍射都 是适用的。但当衍射面和观察面之间不再是自由空间而是复杂光学系统，或者非 傍轴光束时，；+ 藩受斯一菲涅耳( h u y g e i l s f r e s n e l ) 衍射积分公式不再适用，需要推广。 n 林n i i e n ，当衍射面和观察面之间不再是自由空间，而是用变换矩阵罢三 表 征的复杂光学系统，得到光学系统的c o l l i n s 公式 如( b 脚一去e x p ( i k l ) i i 。 e t ( x , ，m ) o x p 蠢e 4 ( x ? + y i ) + 。( + 露) 一2 ( z 。墨+ _ y 。北) ) l 幽嘲( 2 - 2 5 ) ( 2 2 5 ) 式用来研究轴对称光学系统的空域衍射问题，对b 0 时成立。对成像光 学系统满足( b = 0 ) ，利用a b c d 矩阵元关系 特别在光阑孔径趋于无穷大情况下可以得到 幽一i 唧悱吲c 矿2 均m 鲁，了y 2 ( 2 - 2 6 ) 显然，光束通过光阑孔径效应可忽略的成像光学系统后，振幅变为原来的彤，相 位出现调制，但保持原来场分布的形式不变，这就是著名的像传递原理。 2 3 3 非傍轴光波传播的讨论 对于大发散角的光波，一般来说源的尺寸较小，而且测量大多在远离源的地 方进行，因此通常认为观察点军源的距离远大于光波波长以及源的尺寸，该条件 大功率半导体激光器光束整形技术研究 称为远场条件，引入以下近似睇纠 七卜r f 1 ( 2 2 7 a ) 南2 亩( 2 - 2 7 b ) 取t a y l o r 级数展开，并保留至r 的一次项，即 i f - - r i = 卅勺眇r + = l i 击一r + ( 2 2 7 c ) 把以上远场条件代入菲涅尔一基尔霍夫公式，可得大角度光波远场的公式 “xy , z ) ：了i 等竺趔e ( 。，y ) 。x p j 一堕( 搬1 + 。) k 砂 ( 2 2 8 ) z ，rj - r 在物理上远场近似比傍轴近似或p a r a b o l i c 近似更合理。虽然f r a u n h o f e r 公式也是 用于远场区域场分布的公式，但只适用于傍轴近似下的远场区域。如果对上式考 虑傍轴情况= 2 x 2 + y 2 ，在积分号前的指数因子中令 r = z + 三# ( 2 2 9 ) 其余部分取r z ，则可得f r a u n h o f e r 公式 蹦2 扣h 上+ 警肛“幽凇p 降( xl x 2 + y l y 2 ) h 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_ f 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闭 2 ，g ，：) ：i i z e x _ p ( i k r ) e ? 。( 。) e x p f 一堡( 船。+ 。) 出咖 ( 2 3 0 ) l ，。r 理论和实验都表明( 2 3 0 ) 式能够很好的用来拙述激光二极管光束的传播特性。 2 4 激光束质量评价参数 光束评价参数是衡量激光束质量好坏的重要指标，为了理论研究和工程的需 要，针对不同的应用目的提出了不同的评价参数，但用单一参数尚不能全面衡量 光束质量，所以给出了远场发散角、光斑半径、m ：因子等描述参数口1 , 3 2 1 。 第一二章基本理论 2 4 i 光斑半径 光斑半径作为衡量光束质量的标准是一种简单而直观的方法。在空间域中， 光斑半径定义方式有三种，即名：定义、8 5 6 环围能量和二阶距定义。 ai ，定义 对旋转对称光束，在光强分布曲线上，最大值，。、的名：处两点间距离的一半 q 定义为光斑半径 i ( c o 。) = 萼 ( 2 3 1 ) f b8 6 5 环围能量 在光强分布曲线上占总功率8 6 5 处两点间距离的一半。定义为光斑半径 脚一o ll ( r ) r d r = 8 6 - 5 j i ( r ) r d r ( 2 3 2 ) c 二阶矩定义 根据二阶矩定义在x 、y 方向的光斑半径。、0 3 。分别是 c o ；，：竺二i ! ：! ! ! ：兰：! 空空 k x ，y ，曲出d y 式中，王、歹为光束的重心位置，由一阶矩公式所决定 一4i “x i t x ，y ，z ) d x d y l 。j - 。i ( x ，弘? ) 蚴 ：e e ( x m z ) 出咖 。 f 。r 。似，彤) 出咖 ( 2 3 3 ) ( 2 - 3 4 ) ( 2 3 5 ) ( 2 - 3 6 ) 对基模高斯光束，上述三种定义得出的结果完全相同。但对高阶高斯光束和 其它光束，不同的定义方法存在差别。通常在实验中用8 6 5 桶中能量的定义较为 方便，但在实际问题中采用二阶矩的定义最为严格。 咖一 等竖炉玎 照膳 e 一 ! !盔塑主量堡堂堂墅堂坐鳖受垫查望 窒 2 4 2远场发散角 激光器远场发散角的大小表明激光束传输时光斑的变化情况，它是判断光束 质量的基本参数，定义为 0 ：l i r a c o ( z ) ( 2 3 7 ) 二寸o z 通常远场发散角的值可以通过扩柬或聚焦来改变。 2 3 2 光束质量m2 因子 s i e g m a n 考虑到了束宽和远场发散角的变化对光束质量的影响，定义肘2 因子 为实际光束的束腰宽度和远场发散角的乘积与理想光束的柬腰宽度和远场发散角 乘积的比，在s i e g m a n 理论中取基模高斯光束为理想光束，则束腰宽度和远场 发散角吼乘积为 吼：兰 ( 2 3 8 ) 故m 2 的定义表达式为 m ：= 要。以 ( 2 3 9 ) l m ；= 罢，良 ( 2 4 0 ) 几 式中以、0 分别为光束在x 和y 方向的远场发散角。 在二阶矩定义下，根据测不准关系类似的证明过程可得 m 2 1 ( 2 4 1 ) 这表明不可能同时实现小的束宽和小的发敞角，通常m 2 越小光束质量越好a 其乘 积的极限为理想基模高斯光束值，对应m2 因子极小值为1 。 第三章、l 导体激光阵列的光束臻形技术 第三章半导体激光阵列的光束整形技术 本章首先介绍了大功率半导体激光器的结构及输出光场特性，然后对国内外 的阵歹半导体激光器光束整形技术进行了简单的总结。 ! ，? - 3 1大功率半导体激光器的结构及输出光场特性 半导体激光器阵列有两种形式：条型和堆积型。先出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 l - 条型阵列层叠排列就形成了二维 堆积型阵列，由于堆积型阵列是由条型阵列构成的，下面先对条型半导体激光阵 列的结构及输出光场特性进行简单的介绍。 3 1 1 条型半导体激光器的结构及输出光场特性1 3 3 1 图3 1 人功率、p 导体激光线阵的结构 目前，在大功率半导体激光器应用中，如泵浦固体激光器，材料加工等，条形 半导体激光器占有重要地位，其连续输出功率是1 0 4 0 w ，波长是近红外的。据报 道，若加大激光器的电流，在实验室里已研制出连续输出功率可达2 0 0w 的单条 激光器，但是其寿命很短。典型的单条激光器是一个包括2 0 5 0 个e m i t t e r 的线型 阵列，如图3 ，1 所示。这是一个包括2 0 - 5 0 个宽面发射单元的线型阵列，每个单元 宽度大约为5 0 2 0 0 9 i n 。由于一个e m i t t e r 的有源区横截面是长条的，且发散角在平 行于结平面( 慢轴方向) 和垂直于结平面( 快轴方向) 方向差异很大，导致了在 快轴方向的 ，因子约为i ，在慢轴方向的a 矿因子约为1 7 0 0 。快轴方向的最大发 散角可达到1 0 0 。，与数值孔径相等，使得几乎在所有的应用中第一步必须对快轴 方向进行压缩。由于透镜的像差随着数值孔径的增大而增大，对已有的半导体激 光器的组装技术，快轴方向的压缩的光学特性是特别重要的。 图3 2 给出了半导体激光线阵快、慢轴方向的发散角，在慢轴方向出现了双 6 大功率半导体激光器光求整形技术研究 峰结构，如图3 2 所示 3 4 1 。 幽3 2 、r 导体激光线阵快轴、t 曼轴方向的发散角 3 1 2 堆积型半导体激光器的结构及输出光场特性 电子四十四所研制的l d 面阵的结构如图3 3 所示，它是由2 0 个l db a r 层叠 列阵构成，采用微通道制冷技术，层间距为o 5 1 3 n m a ，有源区采用量子阱结构 ( g a a i a s g a a s 材料体系) ，激射波长o 8 0 8 9 m 单b a r 的准连续输出功率为1 0 0 所 以整个l d 列阵的输出功率达到2 k w 。 其中单b a r 的几何结构如图3 4 所示，由许多激光发射单元线性排列构成，b a r 长1 c m ，宽为1 0 0 9 m 。每个激光发射单元相当于一个小激光器，其发光面积为7 5 m 1 岫，腔长为l m m ，相邻单元的间隔为9 0 9 r n ，所以l c m 长的l db a r 共包括1 1 1 个发射单元。由于未进行锁相，各激光器的输出光束是非相干的。光束远场发散 角出四十四所提供在垂直于结平面方向为4 0 。( f w h m ) 平行于结平面方向的光 束的值为1 0 。( f w h m ) 。 摹_ 募u 川e 一 l l 卜。 _ 。“ _ 幽3 3 l d 面阵结构示意倒图34 单b a r 结构示意图 在垂直于结平 面方向，如图3 5 ( a ) 所示，激光器采取的是折射率波导结构，这 个方向上的光束的束腰应垓在激光器的解耻面上而在平行于结平面方向激光器 采取增益波导结构如图35 ( b ) 所示，此方向光束的柬腰应位于激，匕发射腔内，因 此这两个方向上的光束的束腰是彼此分离的，即具有像散特性。 第三章半导体激光阵列的光束整形技术 甙。幂 ( a ) 垂直丁结平面方向的光粜( b ) 平行丁结平面方向的光求 豳3 5 激光器输山光束模型 3 2 条型半导体激光器光束整形技术 对于线阵半导体激光器，已提出了各利，各样的光束整形方法，以获得圆形的 聚焦光斑。下面就国内外典型的光束整形方法进行简单的介绍。 3 2 1 光纤耦合系刻”j 光纤耦合系统目前被普遍用于端面泵浦固体激光器中，从线阵半导体激光器 发出的光首先经过微柱透镜，对快轴方向的发散角进行压缩，然后将压缩过的光 线耦合入一个光纤线阵中，在另一端将光纤排列成圆状，最后，采用组合透镜对 光束进行聚焦。从而使输出光斑满足需要。如图3 6 所示。在这里，所用的激光线 阵是s p e c t r ad i o d el a b o r a t o r i e ss d l 3 2 3 0 t ，其输出光斑尺寸为1 0 m m 1 p m ，在 距离激光线阵出射面o 0 8 3 倍微柱透镜直径处放置微柱透镜，如7 u 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 的直径应小于9 0 p r o ，如8 0 - t m ，光纤线阵是由1 1 4 根裸光纤构成，其纤芯直径为 8 0 啦r i 。数值孑l 径n ，a 为0 1 4 ，最后排成的光纤束直径为i 1 m m ，这样，即使得 l o m m xl 岫的长方向光斑转化为直径为1 1 m m 的圆形光斑。为了把单根光纤粘和 在一起，要找到种低折射率的、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 。系统的耦合效率为6 7 。 图3 6 ( a ) 光纤耦台系统 ( b ) 光纤拄透镜对快轴准直 吉林大学集成光电子国家重点实验室和长春光学精密机械学院高功率半导体 激光国家重点实验室的薄报学等人在2 0 0 1 年用这种方法对1 0 单元线阵的半导体 激光器进行了较为理想的光纤耦合实验，耦合效率达到了7 5 ，这种方法可以简 便地实现l d 线阵输出光场的对称化，且激光束经过一段距离的光纤传输后在输出 大功率半导体激光器光束整形技术研究 截面上的强度得到匀化，传输过程中的光能损失也很小，缺点是系统体积难于压 缩l d 和光纤的对准比较因难。 ， 3 ，2 2台阶形反射镜整形系统 3 3 】 德国的h 一g t r e u s c h 等人在1 9 9 8 年利用如图3 7 所示的系统对l d 线阵进 行整形。首先，用非球面微柱透镜对快轴方向进行准直，原理如图3 8 所示，该透 镜数值孔径高达0 8 ，准直前快轴方向的发散角为1 0 0 。( 1 e ：定义) ，准直后减小 为3 m r a d ，且耦合效率超过9 5 ，可见准直效果很好。然后，用两个台阶形反射镜 实现输出光场的对称分布，光束整形的原理如图3 9 所示，这个设备包含n 个高 m i c t o f = 1 5 0 m i l l 图3 7台阶形反射镜整形系统原理图 例3 81 | 球面牲透镜准直原理剀 圈3 9 台阶形反射镜对光求的变换 反射率的镜面。第一个台阶形，反匀于镜的备反射面与慢轴方向成4 5 。角，各反