（光学工程专业论文）半导体激光器的微透镜光纤耦合技术研究.pdf

浙江大学硕士论文 摘要 随着光电子器件的迅速发展、半导体激光器性能的不断提高，半导体激光器 ( s e m i c o n d u c t o rl a s e r ) 的用途也越来越广：高速光通信、固体激光泵浦、激光加工、 激光照排、激光印刷、医疗领域等等。半导体激光器的光束质量成为了制约半导体激光 器应用的主要瓶颈。而半导体激光器与光纤的耦合，对半导体激光器的光束质量改善， 有重要的意义。如何提高半导体激光器的耦台效率，成为了人们越来越关心的问题。 本文主要讨论的问题是半导体激光器的光纤耦合。在激光加工、固体激光器泵浦以 及一些医疗领域等，需要光纤输出的激光；其优点在于光束质量好、可以任意改变光束 的出射方向和位置。改善半导体激光器与光纤的耦合效率主要的方法是：通过对半导体 激光器外加折射、反射、衍射等光学系统，外在地改变其出射光束质量。通常采用单个 透镜，透镜组或者光纤微透镜的方式来改善半导体激光器的出射光束质量，提高耦合效 率和容忍度。 本文主要讨论大功率宽发射域半导体激光器的多模光纤微透镜耦合。通过这项技术， 可以有效提高光纤输出耦合效率和容忍度。主要通过计算机仿真抛物面型光纤微透镜和 柱状楔形光纤微透镜与大功率宽发射域半导体激光器的多模光纤耦合效率，并在实验中 进行验证，提出了提高大功率宽发射域半导体激光器与多模光纤耦合效率的新方法。 本文正文部分共分为六章。第一章简要介绍了半导体激光器的发展、分类、应用以 及国内外相关研究等。第二章讨论并归纳了半导体激光器光束特性，光纤传输特性以及 影响耦合效率的因素。第三章详细讨论了利用抛物面型微透镜多模光纤与大功率宽发射 域半导体激光器的耦合效率；利用计算机辅助模拟了耦合过程，并通过实验验证了耦合 系统的可行性。第四章详细讨论了利用柱状楔形微透镜多模光纤与大功率宽发射域半导 体激光器的耦合效率；同样利用计算机辅助模拟了耦合过程，并通过实验验证了耦合系 统的可行性，讨论了其在三维方向的容忍度。第五章提出了利用热扩展芯径光纤 ( t h e r m a l l ye x p a n d e dc o r ef i b e r ) 实现高亮度激光器的方法，并进行了理论仿真。第六 章对完成的工作进行了总结，提出了值得进一步研究的方向和对将来工作的展望。 关键词：半导体激光器，多模光纤，耦合效率，抛物面型光纤微透镜，柱状楔形光纤微 透镜，调整容忍度 浙江大学硕士论文 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h er a p i dd e v e l o p m e n to fo p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s ，e s p e c i a l l yt h ep e r f o r m a n c e o ft h es e m i c o n d u c t o rl a s e r s ，s e m i c o n d u c t o rl a s e r sh a v eb e e nu s e di nm o r ea n dm o r ea r e a s ， i n c l u d i n go p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，s o l i d s t a t el a s e rp u m p i n g ，l a s e rp r o c e s s i n g ，l a s e rp r i n t i n g a n dm e d i c a l a p p l i c a t i o n s b u t t h e p o o ro u t p u tb e a mq u a l i t y o ft h ee d g e e m i t t i n g s e m i c o n d u c t o rl a s e rl i m i t si t sf u r t h e ra p p l i c a t i o n s t h ec o u p l i n go fs e m i c o n d u c t o rl a s e ra n d t h eo p t i c a lf i b e rh a sv i t a ls i g n i f i c a n c et ot h es e m i c o n d u c t o rl a s e r l i g h tb e a mq u a l i t y i m p r o v e m e n t h o wt oi m p r o v e t h e c o u p l i n ge f f i c i e n c y b e t w e e nt h e e d g e e m i t t i n g s e m i c o n d u c t o rl a s e ra n dt h eo p t i c a lf i b e rb e c o m e saw i d e l yc o n e e m e dp r o b l e m ， t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ec o u p l i n gb e t w e e ns e m i c o n d u c t o rl a s e ra n dt h eo p t i c a lf i b e r t h el a s e rw i t ht h eo p t i c a lf i b e ro u t p u t si sn e e d e di nt h el a s e rp r o c e s s i n g ，t h es o l i dl a s e rp l t m p ， a n dm e d i c a ld o m a i n s i t sa d v a n t a g ei st h a tt h el i g h tb e a mq u a l i t yi sg o o d ，t h el i g h tb e a m e m i t t i n gd i r e c t i o na n dp o s i t i o nc a l lb ec h a n g e do p t i o n a l l y t h et e c h n i q u et oi m p r o v et h e c o u p l i n ge f f i c i e n c yo fe d g e e m i t t i n gs e m i c o n d u c t o rl a s e ra n do p t i c a lf i b e ri sa d d i n go p t i c a l e l e m e n t si nf r o n to ft h el a s e rb e a m t h em o s t l yu s e dt e c h n i q u e st oi m p r o v et h ec o u p l i n g e f f i c i e n c ya n da l i g n m e n tt o l e r a n c ei n c l u d eu s i n gm i c r os i n g l el e n s ，m i c r ol e n sg r o u pa n d 】e n s e df i b e r t h em a i nt o p i ci nt h et h e s i si st h ec o u p l i n gt h ec o u p l i n gb e t w e e nt h eh i g hp o w e rs i n g l e e m i t t e rb r o a da r e ad i o d el a s e ra n dm i c r ol e n s e dm u l t i m o d ef i b e r t h eu s eo ft h e1 e n s e df i b e r c a l li m p r o v et h ec o u p l i n ge f f i c i e n c ya n da l i g n m e n tt o l e r a n c eg r e a t l y i nt h ef i r s tp a r t ，an o v e l p a r a b o l o i d a ll e n s e dm u l t i m o d ef i b e rh a sb e e na n a l y z e da m p l yi nt h ec o u p l i n gb e t w e e nt h e h i g hp o w e rs i n g l ee m i t t e rb r o a da r e ad i o d el a s e ra n dm u l t i m o d ef i b e r , w h i c hh a sb e e nv e r i f i e d i nt h ee x p e r i m e n ti nt h es e c o n dp a r t ，t h ec o u p l i n gb e t w e e nt h eh i g hp o w e rs i n g l ee m i t t e r b r o a da r e ad i o d el a s e ra n dc y l i n d r i c a ll e n s e dm u l t i m o d ef i b e rh a sb e e nd i s c u s s e dd e t a i l e d l y t h et h e s i si n c l u d e ss i xc h a p t e r s t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n t ，a p p l i c a t i o n o ft h es e m i c o n d u c t o rl a s e r sa n dt h er e l a t i v e l yr e s e a r c ho fc o u p l i n gb e t w e e ns e m i c o n d u c t o r l a s e r sa n do p t i c a lf i b e lt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i o d el a s e r ，t h et r a n s m i t t e dc h a r a c t e r i s t i c so f o p t i c a lf i b e ra n dt h ei n f l u e n c ef a c t o ro fc o u p l i n ge f f i c i e n c ya r ed i s c u s s e di nt h e s e c o n d c h a p t e r t h et h i r dc h a p t e ro ft h et h e s i sd i s c u s s e san o v e lp a r a b o l o i d a ll e n s e dm u l t i m o d ef i b e r u s e di nt h ef i b e rc o u p l i n go ft h eh i g hp o w e rs i n g l ee m i t t e rb r o a da r e ad i o d el a s e r ，a n dt h e r e s u l t so ft h ec o m p u t e ra i d e ds i m u l a t i o no ft h ec o u p l i n gh a v eb e e nd e s c r i b e dt 0 0 ，t h er e s u l t s v e r i f i e dt h et h e o r yo fp a r a b o l o i d a ll e n s e dm u l t i m o d ef i b e r t h ec o u p l i n ge f f i c i e n c ya n d a l i g n m e n tt o l e r a n c eb e t w e e nt h eh i g hp o w e rs i n g l ee m i t t e rb r o a da r e ad i o d el a s e ra n dt h e n 浙江大学硕士论文 c y l i n d r i c a ll e n s e dm u l t i m o d ef i b e rh a sb e e nd i s c u s s e di nt h ef o r t hc h a p t e r ；i na d d i t i o n ，t h e s i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n th a v eb e e nd o n et os u p p o r tt h et h e o r e t i c a lr e s u l t s i nt h ef i f t h c h a p t e r ，an o v e lt e c h n i q u eu s i n gt h e r m a l l ye x p a n d e dc o r ef i b e r ( t e cf i b e r ) t og e th i g h b r i g h t n e s sl a s e rh a sb e e nd i s c u s s e dt h e o r e t i c a l l y t h el a s tc h a p t e rs i m a m a r i z e st h ew o r k s w h i c hh a v eb e e nd o n ea n dt h ef o r e c a s tr e s e a r c hd i r e c t i o n sw h i c ha r ed e s e r v e dt os t u d yd e e p l y k e y w o r d s ：s e m i c o n d u c t o rl a s e r , m u l t i m o d ef i b e r ，c o u p l i n ge f f i c i e n c y ，p a r a b o l o i d a ll e n s e d f i b e r ，c y l i n d r i c a ll e n s e df i b e r ，a l i g n m e n tt o l e r a n c e u i 浙江大学硕士论文 第一章绪论 激光作为二十世纪的重大发明具有无穷的魅力，成为推动当代高新技术发展的动力。 它的应用已经渗透到众多的领域：信息，材料加工，医学和生命科学，检测和军事等领 域，并且发挥着非常重要的作用。其中，半导体激光器作为一种重要的激光器件，它的 许多优点使其得到日益广泛的应用。 1 1 半导体激光器发展 半导体激光器是以半导体材料为光增益介质的激光器，其核心是一个具有光反馈结 构的p n 结的二极管，因此也称为激光二极管。电流注入到p - n 结内的光增益介质会产 生受激辐射并建立稳定的光振荡。光增益介质一般为直接带隙半导体，主要包括i i i - v ， i i v i 和i v _ v i 族化合物及其固溶体，适当选择半导体的带隙，就可得到不同波长的激光。 1 9 6 2 年，三个研究小组发表了g a a sp - n 结激光器成功的受激发射i l “。这种激光器 是同质结( h o m o s t r u c t u r e ) 器件【5 1 ，利用p - n 结有源层内注入的电子一空穴复合提供光 增益，并利用与结平面垂直的两个平行解理面构成的谐振腔提供光反馈。很快，出现了 其它直接带隙半导体如：i n a s ，i n p ，g a a s p 和i n a s p 等结构，得到了不同波长激光的 半导体器件。 1 9 6 3 年美国的k r o e m e r t 6 l 军d 前苏联的a l f e r o v 7 l 等人提出利用不同带隙材料构成的半 导体器件，称为异质结( h e t e r o s t r u c t u r e ) 激光器。异质结构按照其有源区两侧包层材料 的相同和不同又分为单异质结( s i n g l eh e t e r o s t r u c t u r e ，由一个异质结和一个同质结构成) 和双异质结( d o u b l eh e t e r o s t r u c t u r e ，由两个异质结构成) 两类激光器。双异质结的发现， 使半导体激光器的性能得到显著改善【引。双异质结的优点主要在于：通过构成波导，更 有效地限制激光模式：减少了有源区的侧向尺寸，使有源层产生的热量能够更迅速的散 失【9 】。 1 9 8 0 年研制成功的量子阱( q u a n t l a mw e l l ) 激光器是半导体激光器发展历史上的一 个里程碑。这种激光器降低了阈值电流密度，并能获得更窄的线宽，它的发展加快了半 导体激光器的实用步伐。 现在为了获得线宽更窄，波长可调协等高性能的器件，又发展出分布反馈式( d f b ) 激光器和分布式布拉格( d b r ) 激光器m 1 。随着对半导体激光器功率要求的提高，又出现 了半导体阵列( a r r a y ) 、激光棒( b a r ) 和堆栈( s t a c k ) 等阵列结构【l l 】。近年来，垂直腔面 发射激光器( v c s e l ：v e r t i c a lc a v i t ys u r f a c ee m i t t i n gl a s e r ) 的发展也很迅速。 浙江大学硕士论文 1 2 半导体激光器分类 按照不同的分类标准，半导体激光器可以分为如下几类：按照输出模式分，可以分 为单模半导体激光器和多模半导体激光器；按照光输出方式分类，可以分为边缘发射 ( e d g e - e m i t t i n g ) 半导体激光器和垂直腔发射( v e r t i c a lc a v i t ye m i t t i n g ) 半导体激光器； 按照有源区导引方式分类，可以分为增益导引( g a i n - g u i d e d ) 半导体激光器和折射率导 引( i n d e x g u i d e d ) 半导体激光器；按照有源区结构分类，可以分为同质结半导体激光 器、单异质结半导体激光器、双异质结半导体激光器、量子阱半导体激光器和多量子阱 半导体激光器：按照输出功率分类，可以分为一般功率( 毫瓦量级) 半导体激光器和大 功率( 数百毫瓦，瓦量级乃至更大) 半导体激光器；按照相干性分类，可以分为相干半 导体激光器和非相干半导体激光器；按照发射端面空间结构分类，可以分为单片式半导 体激光器、单元阵列( a r r a y ) 式半导体激光器、一维线阵列( b a r ) 半导体激光器和二 维面阵列( s t a c k ) 半导体激光器。 由于本论文主要集中在单片式半导体激光器的光束耦合，所以在这里详细介绍根据 结构划分的几种半导体激光器： 1 单片式( s i n g l ee m i t t e r ) 半导体激光器：是最初半导体激光器的结构，典型发射 面有源区尺寸为1x 3 i _ t m ，输出光为基模高斯光束，衍射角为1 0 。3 0 。可以达到或 接近衍射极限，相干性好，但是输出功率不大，限制在数百毫瓦量级i l 。近年来出现了 大功率宽发射域半导体激光器( b r o a da r e ad i o d el a s e r ) ，其有源区发射截面的尺寸为 0 5 1 u m 5 0 2 0 0 1 x m ， 有报道的最高出射功率可达1 0 瓦。 2 单元阵列式( a r r a y ) 半导体激光器：这种结构将多个单片式半导体激光器生长 在同一半导体衬底上，每个单片半导体激光器的间距在5 1 0 1 a n 之间。由于相邻单片 激光器之间的模式重叠，这些单片激光器可以以同一相位出射相干性比较好的光束。如 图1 一l 所示【9 1 。如果之间间距再增大，虽然热传输相对变好，但是每个单片激光器的输 出光束相位变得随意，输出的光束不再是相干光。此种阵列激光器，当平行于p - n 结方 向的有源区尺寸达到毫米量级时，最大的连续输出可以达到近十瓦。 图l l ：单元阵列式半导体激光器 浙江大学硕士论文 3 一维线阵列( b a r ) 半导体激光器：这种结构是在单元阵列式半导体激光器的基 础上发展起来的。将多个单元阵列式半导体激光器组合起来，进一步提高有源区的宽度， 进而提高输出光功率1 4 1 。如图1 2 所示。该类商用激光器的连续输出功率可以达到1 0 0 瓦。 图l - 2 ：一维线阵列半导体激光器 4 ，二维面阵列( s t a c k ) 半导体激光器：又被称为二极管激光器堆，是由一维线阵列 半导体激光器采用层叠的方式组合在一起构成的。由于发光面积的增大，这种器件可以 获得更大的输出功率，商用的此类半导体激光器可以达到数百瓦的非相干激光输出。 1 3 半导体激光器应用 半导体激光器与其它激光器相比，具有许多突出的优点：半导体激光器体积小，重 量轻；供电功率小和转换效率高；能通过注入电流进行直接调制；可靠性高，工作寿命 长：发射波长从可见到红外，覆盖范围宽：价格曰益降低。 由于半导体激光器具有上述优点，它已经广泛应用于光纤通信、光存储、光扫描、 集成光学等领域。并且在国防、测量、自动控制、医疗、材料加工以及做为固体激光泵 清光源等方面有着越来越重要的应用。在1 3 0 0 n m 1 5 5 0 n m 波段，主要应用在光纤通讯 领域；在7 9 0 n m 1 0 2 0 n m 波段，可以应用在激光打印、光存储、固体激光器泵浦、医疗、 大气传输、材料加工、激光刻蚀、短距离光纤通信、国防等领域；在6 0 0 r i m 7 8 0 n m 波 段，主要应用在扫描、检测、光存储、激光打印、光存储、显示等领域。 本文主要研究的是大功率半导体激光器。其具有较高的电光转换效率( 4 0 左右) 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前景。 大功率半导体激光器的主要用途之一是泵浦固体激光器。该类器件可提供数千瓦的 准连续输出功率及数百瓦的连续输出功率，并能够可靠工作，寿命可达上万小时。根据 浙江大学硕士论文 固体激光器的不同功率需求，泵浦固体激光器可采用单元半导体激光器、光纤耦合输出 阵列半导体激光器或二维阵列大功率半导体激光器作为泵浦源进行泵浦。 在医疗领域，半导体激光器作为热源主要应用于外科中的组织切除与烧蚀手术。在 眼外科方面，半导体激光器可用于治疗青光眼。内窥镜输出方式已经成为医疗用半导体 激光器的普遍功率输出方式，对于某些特定工作波长的大功率半导体激光器，光动力学 治疗己经成为癌症治疗的一种重要手段。 材料处理是大功率半导体激光器另一个重要的应用领域。在瓦级至百瓦连续输出功 率的需求范围内，大功率半导体激光器可以直接应用于材料的微区热处理、精密焊接， 甚至可与较为昂贵的n d ：y a g 激光器形成市场竞争。光纤耦合输出的大功率半导体激 光器可应用于微加工、切割及烧结。 同时，大功率半导体激光器在军事上也具有重要的应用价值。大功率二极管阵列激 光器可以直接应用于些军事需求，如激光照明。半导体激光经过光束匀化、圆化处理 可有效改善微光系统在黑暗情况下的视距。另外，脉冲型阵列大功率半导体激光器，可 以在激光测距和激光通信等方面获得广泛应用。 1 4 国内外相关方面研究 由于半导体激光器的光束质量较差，要得到高质量的光输出，采用光纤耦合是一种 较为理想的方法。这其中减小激光器与光纤之间耦合产生的损耗是着力解决的重点。本 文即讨论了提高半导体激光器光纤耦合效率的有效方法。近年来，国内外半导体激光器 与光纤的耦合方式，主要有以下四种： 1 激光光纤直接耦合 这种方式是早期激光光纤耦合的方式，主要用在小功率激光的传输领域。该方式的 结构简单，只需要将激光的光轴与光纤的轴线重合即可，但是这种结构无法保证激光光 轴与光纤轴线的精确对准，并且存在着耦合效率太低的缺点，有报道的该方法可达到的 最大耦合效率仅为2 4 【”1 ，目前仅在激光的传输领域还有应用。 2 单透镜聚焦耦合 单透镜耦合就是在激光器与光纤端面之间只加入一个透镜，利用单个透镜对半导体 激光器的光束模场进行整形，使其尽量适应光纤的模场要求，可以取得比较好的耦合效 果。在该耦合方法中，只用一个透镜来完成激光束的聚焦。但是由于像差的存在，激光 的聚焦效果会受到一些影响。可以通过改变透镜参数的方法来消除像差，但是会增加透 镜制作的难度。如果条件许可，可以使用完全消除像差的非球面透镜，但是其制作费用 4 浙江大学硕士论文 要比普通球面透镜高出几十倍。常用的采用的透镜包括：球透镜、柱透镜17 1 、自聚焦 透镜卅( g r i n 透镜) 和特殊非球面透镜 1 9 1 等。 3 组合透镜耦合 单片透镜的耦合方法虽然结构简单、便于实际封装，但是由于单片透镜的限制，封 装容忍度很低，校准较为困难，需要在耦合效率和调整容忍度之间寻找一个平衡【2 0 l 。所 以出现了利用以上几种透镜的组合方式来达到提高耦合效率和容忍度的方法。在这些结 构中，典型结构是伽利略望远镜系统f 2 ”，由一个凹透镜与一个凸透镜组成，该结构没有 共焦点，可以避免双凸透镜系统在共焦点处引起的激光能量过高。但是透镜数量的增多， 相应的透镜表面也随之增多，激光束在每个透镜表面都会有光损失，数个透镜表面就可 以把激光束的通光率降到很低，所以应尽可能的减少透镜的数量，还需在透镜表面镀增 透膜以提高系统的通光率。除此之外，较为常用的组合方式还有：共焦双透镜组合，由 一片红宝石球透镜和一片g r i n 棒状透镜组成共焦结构1 2 2 】；准直透镜与折射率渐变椭圆 透镜组合，其中折射率渐变椭圆透镜与光纤胶合在一起 2 3 1 ：球透镜与o r i n 透镜组合， 其中g r i n 透镜与光纤胶合在一起 2 4 t ；半球面g r i n 棒透镜与g r i n 棒透镜组合，其中 g r i n 棒透镜与光纤胶合在一起【2 5 】。这些方法提高了耦合的容忍度，耦合效率在4 0 到 8 0 之间。 4 光纤微透镜耦合 减小透镜焦距可以提高耦合效率，要得到最小的透镜，最好的办法就是直接把光纤 端面做成透镜，即光纤微透镜。光纤微透镜是指通过熔融 2 6 - 3 吼、化学刻蚀i 3 1 3 孔、光刻3 6 1 、 研磨 3 7 - 4 2 等方法在光纤端头上加工出不同种类的透镜，用于激光光束的耦合。通过光纤 微透镜耦合的主要优点在于；系统简单、封装成本相对较低、耦合效率比较大。缺点在 于，由于光纤的尺寸在i t m 级，因此光纤微透镜的加工相对困难。但随着近年来微加工 技术的不断发展，光纡微透镜的加工成本越来越低。利用光纤微透镜耦合半导体激光光 束是现在最普遍和很有效的方法，通常采用的方法主要有：光纤球微透镜【3 ，通过对光 纤端头加热，使端头处光纤玻璃熔化，由于表面张力的作用，光纤端头处自动形成球状 透镜；光纤端头半圆弧微透镜，通常可以采用熔融或者研磨的方法得到；光纤锥微透镜 【2 “，通过热熔融拉锥的方法得到，耦合效率在4 0 左右：光纤锥形球微透镜水”，是对 光纤锥微透镜的改进，通过增加一步化学腐蚀的方法，在锥形头上形成球状微透镜，使 耦合效率提高到5 5 ；光纤微球微透镜1 2 ”，在光纤平端面的中心，芯径处形成一个球状 微透镜，耦台效率在5 6 左右；光纤楔形微透镜，对光纤端面研磨，加工出楔角，校正 半导体激光光束快轴发散角；光纤椎形圆弧微透镜”u ，对端头的研磨，形成圆锥形，然 后在进行一次抛光加工在端头形成微透镜，最大耦合效率为7 8 3 1 光纤楔形圆弧微透 镜f 4 ，在光纤楔形微透镜的基础上经过对光纤端头处的研磨抛光加工而成，更加适用于 浙江大学硕士论文 耦合大功率半导体激光器：光纤金字塔形半椭圆微透镜【”1 ，通过光纤研磨抛光制造出具 有椭圆金字塔形端面的光纤微透镜，通过电弧加热，在端头表面形成圆弧形，可以取得 最高5 4 的实验耦合效率。光纤微透镜的耦合效率在5 0 到8 0 之间，相对来说，调 整容忍度较小，一般在几微米到几十微米之间。 1 5 本课题研究内容及完成主要工作 鉴于微透镜光纤耦合对于提高半导体激光器的耦合效率有着重要的现实意义，对于 半导体激光器的广泛应用起到推动作用，本文对半导体激光器输出光束的特性以及微透 镜光纤耦合技术展开了一系列的研究工作。 本文研究的重点在单片式大功率半导体激光器与微透镜多模光纤耦合，这是因为随 着激光在各个领域内的广泛应用，实现更高效率耦合、更高的光束质量、更高的功率密 度已经是大势所趋，大功率半导体激光器与微透镜多模光纤耦合的研究工作相对较少， 没有得到较好的理论、实验结果。本文将工作重点放在这一领域，以期为这一方向的研 究提供一些参考。本文的主要工作包括以下几项内容： 1 利用a s a p 光学设计软件构造了大功率宽发射域半导体激光器光束发射模型， 并利用光线追迹理论仿真了截顶抛物面型微透镜多模光纤与大功率宽发射域半导体激 光器耦合的系统特性以及抛物面型微透镜多模光纤与大功率宽发射域半导体激光器耦 合的系统特性，分别得到了高达8 3 ( 截顶抛物面型微透镜多模光纤) 和9 1 ( 抛物面 型微透镜多模光纤) 的耦合效率，并对二者的不同结构参数对耦合效率以及调整容忍度 的影响进行了对比，得到影响耦合效率和调整容忍度的关键结构参数。通过两种不同结 构微透镜的对比，得出了抛物面型微透镜多模光纤是更加合适的半导体激光器光纤耦合 方式。进行了拟合抛物面微透镜多模光纤半导体耦台实验，得到了8 5 2 的实际耦合效 率，并与理论结果进行了对比。同时，仔细分析了相同结构参数微透镜多模光纤在三维 方向上的容忍度，得出了快轴方向的调整容忍度是影响耦合效率的主要因素这一一般性 的结论。通过不同结构参数的微透镜多模光纤耦合效率以及调整容忍度的对比，得出了 调整容忍度在实际封装中有着决定性的作用这一结论，对于实际封装有重要的参考意 义。 2 基于m o n tc a r l o 随机数和光线追迹理论，利用m a t h c a d 数学工具数值仿真了 柱状楔形微透镜多模光纤与大功率宽发射域半导体激光器的耦合系统特性，得出了最高 为9 2 的最大耦合效率( 系统优化后) ，并考察了不同结构参数对耦合效率以及调整容 忍度的影响，对光纤微透镜的结构参数进行了优化，分析了柱状楔形微透镜多模光纤在 三维方向上的容忍度。通过耦合实验，对耦合数学模型进行了验证；并对柱状楔形微透 镜多模光纤与大功率宽发射域半导体激光器的耦合系统性能进行检验，得出了最大实际 耦合效率8 7 1 的结论。同时，对三维方向上的调整容忍度进行了分析，得出了在大功 6 浙江大学硕士论文 耦合大功率半导体激光器：光纤金字塔形半椭圆微透镜 3 7 1 ，通过光纤研磨抛光制造出具 有椭圆金字塔形端面的光纤微透镜，通过电弧加热，在端头表面形成圆弧形，可以取得 最高5 4 的实验耦合效率。光纤微透镜的耦合效率在5 0 到8 0 之间，枷对来说，调 整容忍度较小，傲在几微米到几十微米之间。 1 5 本课题研究内容及完成主要工作 鉴于微透镜光纤耦合对于提高半导体激光器的耦合效率有着重要的现实意义，对于 半导体激光器的广+ 泛应用起到推动作用，本文对半导体激光器输出光束的特性以及微透 镜光纤耦台技术展开了一系列的研究工作。 本文研究的重点在单片式大功率半导体激光器与微透镜多模光纤耦合，这是因为随 着激光在各个领域内的广泛应用，实现更高效率耦合、更高的光束质量、更高的功率密 度已经是大势所趋，大功率半导体激光器与微透镜多模光纤耦合的研究工作相对较少， 没有得到较好的理论、实验结果。本文将工作重点放在这一领域，以期为这一方向的研 究提供一些参考。本文的主要工作包括以f 几项内容： 1 利用a s a p 光学设计软件构造了大功率宽发射域半导体激光器光束发射模型， 并利用光线追迹理论仿真了截顶抛物面型微透镜多模光纤与大功率宽发射域半导体激 光器耦合的系统特性以及抛物面型微透镜多模光纤与大功率宽发射域半导体激光器耦 合的系统特性，分别得到了高达8 3 ( 截顶抛物面型微透镜多模光纤) 和9 1 ( 抛物面 型微透镜多模光纤) 的耦合效率，并对二者的不同结构参数对耦合效率以及调整容忍度 的影响进行了对比，得到影响耦合效率和调整容忍度的关键结构参数。通过两种不同结 构微透镜的对比，得出了抛物而型微透镜多模光纤是更加合适的半导体激光器光纤耦台 方式。进行了拟合抛物面微透镜多模光纤半导体耦合实验，得到了8 5 2 的实际耦合效 率，并与理论结果进行了对比。同时，仔细分析了相同结构参数微透镜多模光纤在三维 方向上的容忍度得出了快轴方向的调整容忍度是影响耦合效率的主要因素这一一般性 的结论。通过不同结构参数的微透镜多模光纤耦合效率以及调整容忍度的对比，得出了 调整容忍度在实际封装中有着决定性的作用这一结论，对于实际封装有重要的参考意 义。 2 基于m o n tc a r l o 随机数和光线追迹理论，利用m a t h c a d 数学工具数值仿真了 柱状楔形微透镜多模光纤与大功率宽发射域半导体激光器的耦合系统特性，得出了最高 为9 2 的最大耦合效率( 系统优化后) ，并考察了不同结构参数对耦合效率以及调整容 忍度的影响，对光纤微透镜的结构参数进行了优化，分析了柱状楔形微透镜多模光纤在 三维方向上的容忍度。通过藕合实验，对耦合数学模型进行了验证；并对枉状楔形微透 镜多模光纤与大功率宽发射域半导体激光器的耦合系统性能进行检验，得出了最大实际 耦合效率8 7 ，1 的结论。同时，对三维方向l - _ 的调整容忍度进行了分析，得出了在大功 耦台效率8 7 1 的结论。同时，对三维方向上的调整容忍度进行了分析，得出了在大功 6 浙江大学硕士论文 率宽发射域半导体激光器与多模光纤耦合的耦合过程中应引起重视的影响因子是半导 体激光器快轴方向的调整容忍度这一结论。 3 研究了新型热扩展芯径光纤( t e ef i b e r ) 的传输特性，利用其特性，提出了利用 抛物面型微透镜热扩展芯径光纤与大功率宽发射域半导体激光器耦合实现高亮度激光 的新方法。运用s o l i d w o r k s 工具构建光纤模型，在a s a p 进行光学模拟，达到了较高的 耦合效率，与不使用热扩展芯径技术的微透镜光纤相比，大大提高了光纤输出激光的光 亮度，理论上可以得到功率密度为2 5 8 1 0 4 w c m 2 的高亮度光纤激光输出，对于实现高 亮度激光有一定的借鉴意义。 浙江大学硕士论文 第二章半导体激光器光束特性与光纤耦合特性分析 2 1 半导体激光器光束特性 半导体激光器的输出光场分布可以分别用远场和近场特性来描述。近场分布特性指 在激光出射面临近的激光光束特性( d “a ) 。远场分布特性是指距激光出射面一定距 离( d 咒) 的光束空间分布。由于本文主要集中在半导体激光光束耦合，所以下面 将主要讨论不同半导体激光器的远场分布特性。 2 1 1 单模半导体激光器光束特性 半导体激光器与固体及气体激光器相比，其发射光束发散角较大，并且呈不对称分 布，有其独特的远场分布特性。单片式单模半导体激光器的有源层截面为狭长的矩形， 有源层截面的不对称决定了出射光束远场发散角的不对称。在垂直于p - n 结方向( 也称 为快轴方向) ，由于狭缝的作用，出射光束发生较强衍射，在远场形成大的发散角，0 1 的典型值在3 0 。- 4 0 。；平行于p - n 结方向( 也成为慢轴方向) ，由于有源层截面在这 一方向上尺寸相对较大，所以衍射作用比较小，出射光束在这一方向上的发射角也比较 小，0 。一般为l o 。由于半导体激光器在快慢轴上的发散角不同，造成远场光强分布 不对称，呈椭圆光锥分布，如图2 1 所示，其中，x 方向为快轴方向，y 轴方向为慢 轴方向。 图2 - 1 ：单片式半导体激光器出射光束远场特性 单模半导体激光器发出的激光光束并非球面波或者平面波，而是一种基模高斯光束， 可以用二维高斯分布来近似表示。假设从半导体激光器发出的光束束腰位于半导体激光 器端面，如图2 1 所示，从半导体激光器端面所发出的光场可以写成： e o ( x l , y 1 ) = e x p ( 一瓦x 1 2 一瓦y 1 2 ) ( 2 1 ) 浙江大学硕士论文 其中，z l ，y 1 分别为平行于快轴和慢轴的坐标轴，( d o ：、c o o 。分别为在激光器端面 快轴方向和慢轴方向上的束腰半径。根据菲涅尔衍射、夫琅和费原理【”1 ，可以得到当光 束在传播距离z 。后的波函数为： e x p ( i k z 。) j e o ( x l , y 1 ) e x p 等 ( x 一葺) 2 + ( y - m ) 2 地a y ， e ( 墨y ，气) = 盘竺旦一 z 几z o ( 2 2 ) 其中a 为激光束在自由空间传播的波长；k 是波矢量；x 和y 是距激光器端面距离 为z o 的直角坐标系的坐标( 分别平行于激光束快轴和慢轴方向) n 对( 2 。2 ) 进行转化坐 标平面，得到： 啪焉) _ - i k e x p ( i k z o ) - c o o 4 ( 2 z筠+ 器】o - i k c o ；以五弘气卜。, ) ( 2 z o - i k c 0 2 0 y ) e x p 碥商+ 碥研1 令 e 卅丽( k c x ) 2 一筠2 ， r y ( z o ) 吲1 + ( 磐) 2 】 ( 2 3 ) 这四个变量分别为：z o 处快轴和慢轴方向的模场半径，以及波阵面在快轴和慢轴方 向上的曲率半径。将以上四个变量代入到( 2 3 ) 中，可以得到： 啪焉，2丽-ik面exp(i丽kzo)o)oxcooee 即c 南+ 茄卜 9 浙江大学硕士论文 e x p ( 2 4 ) 上式表征了单模半导体激光器的远场光束分布特性，其中，c o o 可以分别对应快慢轴 的束腰半径。远场发散角可以通过下式计算： 盯：( z ) = ( x i ) 2i ( x , y ，z ) 出方 俨( 碱yz ) a x d y 2 1 2 多模半导体激光器光束特性 ( 2 5 ) 大功率多模半导体激光器的远场模式比较复杂。以大功率宽发射域半导体激光器为 例，光束的快轴方向，激光出射光束在远场还保持着高斯分布；但是在慢轴方向上，远 场光束呈不规则的分布。图2 2 是有源区发射截面慢轴方向尺寸为2 0 0 n 的大功率宽 发射域半导体激光器慢轴方向在远场的光强随角度的分布情况1 4 钔。 p - - - 2 w p = l w i i j j l j l 2 01 00 1 02 0 0 d e g m 图2 - - 2 ：大功率宽发射域半导体激光器光束慢轴远场分布 大功率多模半导体激光器的发射光束为多模光束，远场模式复杂，光束质量较差， 而光束质量的好坏对于激光的传输和聚焦有着非常重要的影响。有必要讨论光束质量对 光学系统的影响。 光束质量是衡量激光可聚焦程度的参数，在激光应用领域具有极其重要的作用。到 目前为止，评价激光光束质量的参数主要有光束远场发散角q ，。：，光束聚焦特征参数 k ，、光束传输因子k 值和m 2 因子1 4 5 】。 南嘉 i岔舞i誊墓5 浙江大学硕士论文 光束的远场发散角的大小决定了激光光束可传输多远而不明显发散。发散角越大， 光束质量越差。光束发散角可以通过光学系统来改变，因而不能全面的评价激光束的质 量。 采用激光光束的聚焦特征参数k ，= 0 3 0 0 ( 为激光束的束腰半径，秽为激光束 的远场发散角) 值来评价光束质量的好坏，避免了光束发散角作为光束质量判据的片面 性。必，值越小，光束的传输距离越长，聚焦的焦点越小，光束质量越好。 现在通用的是光束质量因子m 2 。s i e g m a n 引入了激光光束强度的空间和空间频率 的二阶矩理论，并用二阶矩表示的束宽积来定义光束质量m 2 因子1 4 “，它相当于从描述 光波的复振幅的无穷多信息中，通过二阶矩形式来抽取组合出m 2 因子，而且可以证明 它是一自由空间传输不变量，相当于几何光学中的拉各朗日不变量h ”。 光强在空间和空间频域的分布表示为i ( x ，y ，z ) 和i ( s ，s ，) ，其中s 。，s y 分别是x 和y 方向上的空间频率。用s ，s y 表示的每一空间频率分量对应于以角度或，吼，传 播的一个平面波分量： 2 丌s ，= k s i n 0 ， ( 2 ，6 ) 2 r c s 。= k s i n o y ( 2 7 ) 对于基本沿轴方向传播并遵从近轴或小角度条件的激光束，上式可以简化为： 2 s ，= s i n 只或 2 s y = s i n o y ep ( 2 8 ) ( 2 9 ) 因此，对于激光束来说，光束的空间频率分布实际是和光束的角度分布函数相对应 的。光强分布在空间和频域的二阶矩表示为： 盯；( z ) = 仃i ( z ) = ( x i ) 2i ( x , y ，z ) a k d y 加( 训，z ) 蛐 盥! 二型竺：生堕生 弧i 吣一y ) a sx d s ， ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 浙江大学硕士论文 比 其中，i ( z ) = l ( z ) = 弦i q 脚y ) d x d y 可瓦丽 垃竺：皇竺! 生 驱i b j a s x d s y 定义光束的有效