（机械电子工程专业论文）半导体激光器发散角测试系统的研制.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 i _ e e = = ! _ t = = = 自i i _ ! _ 摘要 半导体激光器是当今光电子科学的核心技术之一。作为一种重要光源， 其应用覆盖了整个光电子学领域。但其光束发散角较大、弧矢与子午面内发 散角迥异的缺陷，使其必须经过发散角压缩和光束特性改善处理后，才能在 实际中得以应用。因而，如何对发散角进行准确、快速的测量，是目前半导 体激光技术中迫切需要解决的一个课题。 本文参照i s o 系列光束测试标准，在对国内外已有的半导体激光器发 散角测量方法进行深入研究的基础上，针对半导体激光器光束的特性，提出 了一种通过检测光斑截面边界点、运用最小二乘原理拟合光斑截面方程，从 而测量发散角的新方法。其测量原理为：根据半导体激光器的光束为球面波 的特点，以及光斑半径作双曲线变化、振幅作高斯函数变化的特性，利用在 光斑球冠上运动的光电探头进行光强的检测。在确定光斑中心最大光强值 后，根据光斑截面尺寸的l e 2 定义，得到光斑截面边界点的光强值，并以其 为标准判定光斑截面的边界点，从而根据最小二乘原理，对边界点进行曲线 拟合，得到光斑截面的几何方程，求知光束的发散角。基于该思路。设计了 用于检测光强的测试装置。采用步进电机实现光电探头和半导体激光器之间 的相对运动；通过光电探头实现对光强的检测；搭建以a t 8 9 c 5 5 为核心的 单片机系统，实现对步进电机的控制、边界点的判定、光斑截面方程的拟合 以及发散角的计算和显示输出。通过实验分析可知，该测试系统其有可准确 寻找光斑中心、精确描述光斑外形、以及避免使被测光束产生变形和衰减的 优点，在一定程度上提高了检测的精度。通过对测量数据的分析，验证了该 方法的可行性和有效性，并对影响测量结果的因素进行了理论分析，提出了 改进与完善的措施。 实验表明，所设计的半导体激光器发散角测试系统可实现对激光发散角 的测量，测得发散角度与实际值比较吻合。 关键词半导体激光器；发散角；光斑：1 尼2 定义：最小二乘原理 a b s t r a c t a st h em o s te p o c h m a k i n ga r t i f i c i a ll i g h ts o u r c e ，t h es e m i c o n d u c t o rl a s e r d i o d e ( l d ) i sr e g a r d e da so n eo f t h ec o r e so fp h o t o e l e c t r i ct e c h n o l o g ya n dh a s b e e na p p l i e di nm a n yf i e l d s h o w e v e r , i tw o n 、tb eu s e du n t i lt h eb e a md i v e r g e n c e h a sb e e nm i n i m i z e da n dt h eq u a l i t yo ft h el a s e rb e a mh a sb e e ni m p r o v e df o ri t s d e f a u l t so f l a r g eb e a md i v e r g e n c ea n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e n t h ed i v e r g e n c e si n t w oo r t h o g o n a lb e e mp l a n e s t h e r e f o r e ，h o wt om e a s u r et h eb e a md i v e r g e n c e a c c u r a t e l ya n dq u i c k l yh a sb e e n o n eo ft h ek e y si nt h es e m i c o n d u c t o rl a s e rd i o d e r & da n da p p l i c a t i o n w i t hr e f e r e n c et ot h ei s of i l e so nl a s e rb e e mt e s t i n ga n da n a l y s i so nt h e m e t h o d su s e di nm e a s u r i n gt h eb e a md i v e r g e n c eo fl db o t hh o m ea n da b r o a d ，a n e wm e t h o di s b r o u g h tf o r w a r d ，w h i c hd e t e c t st h ef a c u l a rb o u n d a r yp o i n t sa n d u s e st h el e a s t s q u a r e m e t h o dt om a k et h ef a c u l a rb o u n d a r yc u r v e f i t t i n g t o m e a s u r et h eb e a m d i v e r g e n c e s i n c et h el a s e rb e a mi ss p h e r a lw a v e w h o s er a d i u s c h a n g e sa l o n gh y p e r b o l i c l o c u sa n dt h e l i g h ti n t e n s i t y i nc r o s ss e c t i o ni s g a u s s i a n d i s t r i b u t i o n ，t h e l a s e r p o w e r c a nb ed e t e c t e d t h r o u g h t h ep d s m o v e m e n ta c r o s st h ef a c u l o u sr e g i o n w h e nt h ev a l u eo ft h ep e a kv a l u eo fl a s e r p o w e r i sg o t ，t h ep o w e ro ft h ef a c u l a rb o u n d a r yp o i n t sc a nb ef o u n da c c o r d i n gt o d e f i n i t i o no ft h ef a c u l a rb o u n d a r ys u c ha s “1 ，e “t h e o r y t h e nt h ee q u a t i o no f t h ef a c u l a rb o u n d a r yc a nb em a d ef i t t i n gb yu s i n gt h el e a s ts q u a r em e t h o d ，a n d c a l c u l a t et h et h eb e a m d i v e r g e n c e a tl a s t b a s e do nt h i si d e a ，am e a s u r e a p p a r a t u s i ss e t u p t od e t e c tt h eb e a md i v e r g e n c eo fl di nt h e p a p e r a tf i r s t ，t h e m e c h a n i c a le q u i p m e n ti sb u i l d e du pf o rd e t e c t i n ga n das u i to f s t e p m o t o rd e v i c e i ss e l e c t e dt or e a l i z et h er e l a t i v em o t i o nb e t w e e nl da n dp d ac i r c u i tu s i n gs i p i np h o t o d i o d ei sd e s i g n e df o rr e c e i v i n ga n dd e t e c t i n gl a s e rb e e m a t 8 9 c 5 5i s s e l e c t e da st h ec o n t r o l l e ro ft h em e a s u r es y s t e mt or e a l i z es t e p - m o t o r sc o n t r o l 、 b o u n d a r yp o i n t s d e t e r m i n a t i o n 、t h ef a c u l a r b o u n d a r ye q u a t i o n 、sf i t t i n g a n d c a l c u l a t i o no ft h el a s e rb e a m d i v e r g e n c e t h er e s u l t so f t h ee x p e r i m e n t ss h o w e d t h ea d v a n t a g eo ft h em e a s u r es y s t e ms u c ha ss e a r c h i n gf a c u l ac e n t e re x a c t l y 、 d e s c r i b i n gf a c u l as h a p en i c e l ya n da v o i d i n gt h el i g h t sd i s t o r t i o na n da t t e n u a t i o n a tl a s t ，w i t hf i n e l ya n a l y s i s e so nt h ee x p e r i m e n t sd a t a ，i tp r o v e st h ef e a s i b i l i t y 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 i i = = = = = e = = ，= = ，e = = ! ! = _ e = e ! ! = j | ! = ! ! = t e = ! = ! ，| = ! ! = 自e ! = = = 自= = = f ! = ! ，e 2 z 目j e 目! e = ! = = ，! o a n d v a l i d i t yo f t h em e t h o d f u r t h e rm o r e ，t h ee l e m e n t s a f f e c t i n gt h ee x p e r i m e n t s 、 r e s u ka l ed i s c u s s e da n da n a l y z e d s o m ei m p r o v e m e n t sa l eg i v e ni na d d i t i o n i t sb e e np r o v e db yt h ee x p e r i m e n t st h a td e t e c t i n ga p p a r a t u ss y s t e mc a nb e u s e dt od e t e c tt h et h el a s e rb e a m d i v e r g e n c e t h ed e t e c t i n gr e s u l t sa l ev e r yc l o s e t ot h eg i v e n k e y w o r d s l a s e rd i o d e ，b e a md i v e r g e n c e ，f a c u l a r , “1 e 2 t h e o r y , t h el e a s t s q u a r em e t h o d | i i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 半导体激光器( 亦称二极管激光器、激光二极管) 是目前应用最广泛的 光电子器件之一。世界上第一台半导体激光器诞生于2 0 世纪6 0 年代初。伴 随着转换效率高、体积小、重量轻、性能可靠、能直接调制以及与其它半导 体器件集成能力强的特点【l ，半导体激光器技术已成为世界上发展最快的一一 门学科，其应用覆盖了整个光电子学领域，成为当今光电子科学的核心技术 之一 2 1 。 4 0 多年来，伴随着世界各国研究工作者的不断努力，半导体激光器的 研制技术同趋完善与成熟。1 9 6 2 年面世的第一。台半导体激光器还只是用扩 散法制造的g a a s 同质结构激光器。由于其只能在液氮温度下脉冲( p u l s e ) 工作，因而毫无实用价值，这也导致人们尉半导体激光器的前途曾一度产生 怀疑，甚至一些早期半导体激光器的开创者也因当时的半导体激光器一直不 能在室温下工作而中途退却p j 。7 0 年代初，伴随着液相外延技术成功，第 一只a 1 2 g a a s ：g a a s 双异质结构激光器诞生，它实现了半导体激光器在室 温下的连续( c o n t i n u o u sw a v e ) 工作 4 1 ，成为第一代光通信的关键部件。从 此，半导体激光器进入了飞速发展阶段。1 9 7 7 年又研制成功波长1 1 3 l m 、 1 1 5 5 l m 的i n p ：i n g a a s p 双异质结构激光器，使光通信的发展进入了第二 代。1 9 7 8 年，出现了量子阱激光器，其单个输出功率已大于1 w ，承受的功 率密度已达1 0 m w c m 2 以上，当采用阵列式集成结构则可达到1 0 0 w 以 上，完全改变了半导体激光器只能有小功率输出的历史。1 9 9 1 年分布反 馈式半导体激光器也研制成功，完全实现了单纵模运作，在相干技术领域又 开辟了巨大的应用前景。从激光波段的被扩展的角度来看，半导体激光器的 发展也是非常迅速的。先是6 7 0 n m 、6 5 0 n m 、6 3 5 n m 红光半导体激光器研制 成功并大量进入应用。现在，蓝绿光、蓝光半导体激光器也研制成功。可以 展望，l o m w 量级的紫光乃至紫外光半导体激光器不久也会很快出现突破 【引。 与其它种类的激光器相比，半导体激光器具有十分突出的优点，除了体 积小、重量轻、转换效率高、省电等优点外，半导体激光器的制造工艺与半 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 导体电子器件和集成电路的生产工艺兼容，因此便于与其它器件实现单片光 电子集成。半导体激光器的激射频率可以在较宽的范围内调谐，激射功率和 频率可以方便、商效地进行直接调制，且调制宽带范围大。而且随着半导体 激光器激射波长范围的扩展( 从2 为4 5 0 n m 附近的蓝绿光激光器，直到五 为几微米的中红外激光器) ，光谱特性的改善，阈值电流的降低，量子转换 效率的提高，输出光功率的增加，可靠性及使用寿命的提高等，半导体激光 器的优越性更加明显1 6 j ，目前已广泛应用于光纤通信、有线电视( c a b l e t v ，简称c a t v ) 传输、光束通信、光学测距、光陀螺、激光印刷、扫描 器及用作固体激光器的光泵浦源等领域，尤其是计算机光驱系统( 如c d r o m ) 、激光音像系统( c d 、v c d 、d v d ) 等应用普及面广，市场潜力很 大。另外，在现代化军事领域的应用也十j 分广泛，如c ，i 系统( 指挥、控 制、通信与侦查系统) 、模拟打靶、制导跟踪、瞄准、导航等f 7 1 。以美国为 例，美国国防部、宇航局、各军兵种以及国家实验室等2 0 多个部门都在为 武器装备研制高效率半导体激光器，使得美国在这一领域处于世界领先地位 p j 。同时，半导体激光器在产业和技术、医疗和生命科学等领域也发挥着越 来越大的作用。可以毫不夸张地说，目前半导体激光器在光电子技术领域中 的位置、应用和发展趋势，正像电子技术领域中，当年由电子管向晶体管和 集成电路发展转化那样，已经起着其他激光器不可替代的作用。它是具有划 时代意义的重要光源p j 。 正是由于半导体激光器同益广泛的应用和发展，使得对其各种参数和性 能的检测技术及水平也在不断提高。反过来，在这些方面的研究也极大的促 进了半导体激光器的发展。其中，激光光束质量评价的参数测试在i s o 国 际激光标准化进程中已经成为国际激光学术界及激光应用领域的热门课题 【1 0 。 激光发散角是表征激光器输出光束质量特性的重要参数之一。半导体激 光器由于其工作物质半导体材料具有非对称激活通道，端面发射时出射光束 具有发散角较大、弧矢与子午面内发散角迥异的缺陷，并伴有像散f 1 1 】。其 在弧矢和子午方向的全角发散角分别在鼠= 1 0 。2 0 。及目。= 3 0 。一6 0 。范围内 ”“。因而，该参数的优劣直接影响着激光器在许多领域中的应用效果。首 先，激光发散角反映了激光光束远距离传输时的发散特性，这对于半导体激 光器远场光束特性的研究有着重要的意义。其次，发散角与束腰的乘积0 涉及到近年来广泛讨论的肘2 因子。m2 因子定义中同时考虑了束宽和远场 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 = ! ! ! = = = ! = 2 1 1 1 1 = ! ! = = ! ! ! ! ! ! ! z o ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! = ! = = = ! ! = j l j i 目_ i i i - - _ - _ i e j = = ! = 一 发散角的变化对激光光束质量的影响，包含了光束质量的综合特性，较为直 观地说明了该光束可聚焦的程度【1 3 。m2 因子的提出基本上结束了光束质量 测量方面无统一标准的局面，为激光光束质量的评估和控制奠定了坚实的理 论基础【1 。目前在国外，它己被广泛地用于描述商用激光器的技术指标中 0 5 1 。另外，准确地测量发散角的数值对改善光束质量有着重要作用。由于 半导体激光器发散角较大，所以必须予以一定的校正，才能在实际中应用。 而对出射光束的性能改善，则主要是指压缩光束的远场发散角，使激光器输 出光束对称化，消除像散。只有精确地测知发散角的大小，才能够准确地设 计出外加光学系统对激光器原始出射光束进行改善i l 。 因此，激光束发散角的精确测量在激光器研制、生产和应用中都具有非 常重要的意义，对其进行研究的要求也越来越多，越来越迫切。经过了几十 年的积累，已有一些传统的测量方法可以借鉴。但这些方法在应用时却不是 十分的方便，精度也不易保证。近几年，国内外在这方面的研究也在有所发 展，方法也大都是将一些新技术( 比如c c d 技术) 融入原有的传统技术 中，进行一些改进和提高。所以，如何设计一台性能良好、准确、快速、简 便、直观地测量发散角的检测设备，是目前半导体激光器研究应用中需要迫 切解决的一个问题。这也必将为在这些领域的发展打开一扇宽阔的大门。同 时。随着国际竞争的日益激烈，加紧这方面的研究也是时代发展的必然要 求。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 国际上当前采用的i s o1 1 1 4 6 ：1 9 9 9 ( e ) 标准文件规定以光束截面内的能 量密度分布函数为直接测试量，按吖2 因予的定义作为计算的基准，进行光 束远场发散角的计算。规定只有基于光束能量分布函数求得的发散角才是光 束质量评价标准参数。当光束能量的分布不易直接测试时，该文件建议可采 用变光圈法、刀口法、狭缝扫描法等几种可供选择的测试方法，并要求在采 用这些方法进行测试时的测试条件必须保证测得的各参量与按光束能量分布 函数求得的参数等价。 传统的电子影象激光束发散角测试设备是按光强峰值的百分比来进行激 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 光发散角的测试，例如f u l l w i d t h h a l f - m a x ( f w h m ) 就是一种常用的测试方 法。另一种方法是以峰值的1 3 确定光束发散边缘，近似于1 矿和2 s 束宽。 这类方法对测试设备的基准噪声和光束环翼内的能量不敏感，测试结果的一 致性比较好。但其测试结果取决于光束的束形，而和激光束的实际性能可能 没有什么关联。 以光斑能量的百分比进行束宽测试是另外一种常用的测试标准，将光斑 总能量的8 6 或1 扩作为光束发散边缘确定的准则。采用这一准则的一种测 试方法是变光圈法，另一种是通过摄影成像，计算8 6 光束能量内包含的像 素数，进而求得激光发散角。这两种方法在测试时都依赖于光束的形状，因 而可能会与实际光束发散角不匹配，而且光圈法仅适用于圆形对称光束，对 于半导体激光器的椭圆光束则无法进行测量。 另外一种较为普遍的方法是以美国c o h e r e n t 公司的产品为代表的刀口 扫描法。传统的刀口法是利用机械扫描装置实现光束测试，在成像辅助的电 子影像测试设备中，通过设计刀口“算法”对采集到的影像进行“扫描”可 达到更高精度的刀口扫描测试效果。但刀口法的测试依赖于光束的模式、触 发基准和矫正因子的确定，而这些参数的不适当会引起较大的测试误差。 近年来，国际i s o 组织以“s e c o n dm o m e n t ”即“d 4 s ”法作为激 光光束测试的标准方法，该方法存在的困难是由于c c d 表面附近的光圈会 在实际光斑周围形成衍射环，与光斑环翼的能量分布重叠，使光斑的实际分 布范围不便确定，影响对发散角的测量准确度。此外，c c d 相机本身的噪 声会被引入激光束能量的积分，给光束发散角的测量带来很大的误差。上述 因素是c c d 电子影像系统很长一段时间以来都不能在激光发散角测量中得 以应用，直到近年来随着半导体技术的不断发展，这一问题才得以逐渐得到 解决1 1 7 j 。因此，虽然理论上“s e c o n dm o m e n t ”法是精度很高的一种发 散角测量方法，但工程实际应用中存在的问题还没有完全得到解决。 为了实现高精度的发散角测量，人们就“s e c o n dm o m e n t ”方法利 用电子影像技术进行半导体激光器发散角的测量进行了大量的研究探索。其 中，美国和日本一直处于世界领先地位。 在科研机构方面，s i e g m a n 在九十年代初期提出m 2 因子后，曾在 s t a n f o r d 大学的g i n z t o n 实验室与a ，r u f f 采用c c d 对h e n e 激光束发散角 测量进行了试验研究【l 。意大利的g i o v a n n im a n a 等人，研究了如何在 c c d 捕获的激光光斑影像上进行发散角的精确测定。美国劳伦斯里弗奠尔 实验室在其n o v a 装置上设计安置了激光远场c c d 诊断仪，其具备大口径 。 窒查篓耋兰叁塞三茎璧当塞竺鎏耋 缩东、1 0 9 倍光能衰减及5 5 c m 短焦距透镜远场成像的特点，可进行商功率 远场发散角毋0 , 0 2 m r a d 的测量( 。雷1 i 为该激光远场c c d 诊断仪 ( l f c d ) 装置的光路图。 采集处理系统 ，些竺：! a n d i a 美国国家实验室，f 发出了可在用于c w 激光束测试的硬件 上实现高精度脉冲激光束测试的商品软件，可进行发散角测量计算： 在企业方面，美国n e w p o r t 公司为激光二极管生产的不同阶段研制了 些专门化的测试仪器。德国i 拘p r i m e sg m b h 公司研制出的大功率半导体 n d ：y a g c 0 2 激光光斑轮廓测量仪，大功率激光器m 2 分析仪。s p i r i c o nl n c 楚一家生产专业的激光横模分析( 包括激光发散角研究) 仪器的公司，在激 光光束横模分析方面宥2 0 多年的研制和生产经验。其产品被广泛应用予全球 各大激光研究重点实验室和激光生产企业以及激光测试行业。他们研制的脉 冲、连续激光横模一光斑品质分析系统中的l b a p c 系列光束分析仪及肘：圈 子测试仪，典型型号为m 2 2 0 0 。其特点为：使用了专衬名为 u i t r 8 c a l ”的 算法改进“s e c o n d m o m e n t 测试方法f 2 0 1 ，使检测槠度高于“刀口 法”，可精确测试激光光束发散角、激光m 2 因子等参数，并有自动和手动 两种；自动系统可测试2 5 0 n m 2 4 n m 波长范围，手动系统可测范围为 1 9 0 n m 4 0 0 u r n ；手动系统可实现1 5 7 r i m 4 0 0 u r n 围内任意激光的测试分 析；可直接得到m 2 因子、x y 轴发散角、x y 束壤半径位置、光斑分布、对 称链、敖色性等参数。其最大优点是宽的光谱范围；从1 5 7 啪4 0 0 u m ，可 延伸至远红外，整个系统适用予脉冲和连续激光嚣c 2 。 日本厂商长期保持着l d 研制、测试与生产技术上的优势，低功率l d 的生产厂家几乎全在曰本黝。在9 9 年以甜，生产半导体激光二极管的厂商 对激光二极管的测试还很简单，仅能测试部分参数。从9 9 年开始，日本的 技研公司开始研制能够全面测试激光二掇管各种性能参数的激光驱动黎。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 0 0 0 年，在日本富士通、n e c 、三菱电机等公司，在线生产和验收方面开 始大量使用技研公司生产的这种能够全面测试激光二极管各种性能参数的激 光驱动器。目前在日本，用于测量激光器发散角的设备糟度都是o r 。日 本古河电工公司也是这种仪器设备生产的主要厂家，仅生产该类型的设备的 年产值就约几十亿日元，且产值每年递增，效益十分可观。 1 2 2 国内研究现状 近2 0 多年来，中国的改革开放，使中国的激光、光电子科学事业的发 展面向应用市场，面向世界，面向未来，取得了前所未有的进步。在深化机 构体制改革和运行机制改革过程中，中国已形成了一大批光电子产业企业单 位群体，致力于光通讯器件尤其是大功率半导体激光器的研发和生产【2 3 j 。 其中在针对半导体激光器的发散角测量方面，也取得不小的进展。近几 年在国内陆续有一些新的研究方法出现，比如b b o 倍频方法【2 4 】、焦点刀口 法口“。其中，b b o 倍频法是利用b b o 晶体的倍频效率对入射的基波光角度 的变化很敏感这一点来设计的。在此方法中，通过转动b b o 倍频晶体，检 测其二倍频光强发生的明显变化。从而，通过测量b b o 晶体的偏转角和二 倍频光的强度，经拟合后确定一个阈值，所得的b b o 晶体的偏转角即为光 束的发散角。焦点刀口法则每次只能在某一个方向上测量该方向上的发散 角，而不能直接测量出光斑尺寸。这样，在无法确定光束截面长短轴的情况 下，该方法并不具有实际应用价值。 在我国，有几所大学和一些科研机构及公司也一直在进行激光器发散角 检测方面的研究。但由于采用的激光光束测试标准不一，没有一个统一进行 衡量的尺度，多是侧重于测试功能的实现，而测试精度的问题，并没有得到 解决。 在大学方面，山东曲阜师范大学研究制造的j f 1 高精度激光发散角测 量仪【2 “。该仪器是首次采用偏光干涉原理设计研制成功的，运用了计算机 数据处理技术，具有测量精度高、适用性强、测速快和稳定性好等特点，同 时还有方便灵活的波长及输出方式选择功能，其主要技术指标：精度达到 o 0 2 m r a d 、角分辨率达到o 0 4 m r a d 。此外中国科学院光机所也在做这方面的 实验，但目前，他t 1 的方案也没有提出一个比较新颖实用的方法，且未给出 实验结果。北大物理系开设的物理实验中也有激光发散角测量的实验，但只 是一个演示的粗略实验。还有北京工业大学国家产学研激光技术中心所在研 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 制的新型大功率激光光束光斑质量诊断仪，实现了大功率激光光束横截面的 功率密度分布测量，并给出了计算光束发散角的数学处理方法【2 。”。另外， 北京理工大学提出用“单楔板剪切干涉法”测量光束发散角可达到较高的测 试精度。山东工业大学利用双折射晶体在两偏振镜下的干涉原理精确测量了 y a g 激光1 0 6 u m 光束发射角，并研制出一种新型激光变束棱镜，放在起偏 器前对激光束发敖角进行放大，使其干涉条纹增多，再将发散角的测量结果 除以放大倍数，可得出原来的激光束发散角，并可使发散角的测量精度可提 高一个数量级【2 引。复旦大学，中科院及南京大学的一些学者还尝试采用计 算机模拟的方法对利用c c d 测量的方法进行改进1 2 ”。该方法先通过c c d 进行测量，然后与计算机模拟的理论值的相对比，以此来矫正系统。然而， 半导体激光器的内部结构是影响它所发光束发散角的直接原因，单靠计算机 模拟，它的精度也比较难确定。 在科研机构方面，中国计量科学院( 光学处) 从事这方面产品的研究和 开发。另外，北京光电子技术研究所在这方面的研究也很强。它们研制的 m l b a l 型阵列式激光光束分析仪通过计算机图像处理，可对激光光束发散 角等一系列参数进行精确测试【3 。此外，中科院光电技术研究所就h a r t m a n s h a c k 传感器在光束测试中的应用与电子科技大学等单位进行了研究，并指 出该技术的应用可有效的消除衍射环在激光光斑测试中带来的影响，将会使 激光光束的测试更方便、可靠，从而为实现高精度激光光束发散角的测量提 供了一个新的有效途径图【3 ”。 1 3 本文主要研究内容 测试系统采用步进电机实现光电探头与半导体激光器间的相对运动，通 过光电探头在光斑球冠上的运动，对光强信号进行检测。a d 转换器将采集 到的光强值转换成为数字信号，送入单片机系统中。单片机根据得到的采样 值，确定光斑中心最大光强值，并由光斑截面尺寸的1 e 2 定义，得到光斑截 面边界点的光强值，并以其为标准检测光斑截面的边界点。最后利用最小二 乘原理进行曲线拟合得到光斑截面的几何方程，从而求知光束的发散角。本 实验室在先期的研究工作中，通过实验初步验证了直接检测光束边界点的测 量方法的可行性。本文在此基础上，针对光束截面中心点的找寻、边界点的 确定、发散角的算法等方面进行了全新的设计，并最终完成整套半导体激光 器发散角测试系统的研制。测试系统最终所要求达到的发散角检测精度为 哈尔滨工业火学工学硕士学住论叉 0 r ，所能检测的半导体激光器发散角的范围为0 9 0 。 本文研究内容主要包括以下几部分： 1 测试方法的设计 根据半导体激光器光束特性，针对传统检测方法的弊端，设计一种通过 直接检测光束边界点，利用最小二乘原理进行曲线拟合，得到光斑截面的几 何方程，从而求知发散角的新方法。 2 发散角计算方法的设计 建立光斑形状的数学模型，利用“变量代换”的手法使得复杂的非线性 方程线性化，以使拟合计算过程次完成，并给出一种基于最小二乘原理的 光斑几何外形误差的评价方法。 3 测试装置的设计 设计用于检测光强的机械装置，并选用步进电机及细分驱动器，以实现 光电探头和半导体激光器之间的相对运动。 4 光强检测单元的设计 设计采用硅光电探测器为光电探头的电路，实现对被测光束一定截面处 光强信号的检测，以获得激光器发散角的测量初始值。 5 单片机控制系统的设计 设计以a t 8 9 c 5 5 为核心的单片机系统。实现对步进电机的控制、边界 点的判定、光斑截面方程的拟合以及发散角的计算和显示输出。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2 章测试系统总体设计 2 1 激光发散角界定的理论依据 1 半导体激光器的远场光束特性从一台采用稳定腔的半导体激光器发 出的激光光束，不同于平面波，而是一种场振幅沿径向作高斯函数衰减变化 的、具有特殊结构的高斯光束。在均匀介质中传播距离z 为任意常数的横截 面内，高斯光束场振幅沿径向以高斯函数e - r 2 。2 忙”( ，为光点到其所在横平 面中心点的距离) 的形式从轴线向外平滑的减小。可以说，高斯光束是以光 腰处等相位面为平面，在传播中光斑半径作双曲线变化，而球面的等相位面 曲率中心不断移动的，具有高斯函数振幅变化的近似的球面波 3 2 】，见图2 1 。 图2 - 1 半导体激光器高斯光束的传播 f i g 2 - 1s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f l a s e rb e a me m i t t i n gf r o ml d 任何稳定腔产生的沿z 轴方向传播的高斯光束都可以表示为 e ： g e 珊( 2 ) ，南+ ：卜) 协， 式中，呈。杀为振幅部分，。 一( 南+ ：，州。) 为相位部分，c 为常数因子， c o ( z ) ，2 = x 2 + 夕2 ，k = 2 z r 2 为波数，( ：) ，r ( z ) 和妒( z ) 分别为高斯光束的截面 ! 查童三兰苎兰三耋堡圭耋竺篓三 半径，波面曲率半径和相位因子，它们是高斯光束传播中的三个重要参数。 此外，还有高斯光束的共焦参数厂= z 珠2 ，基模高斯光束的腰斑半径为 = 俘。 高斯光束的截面半径国( z ) 为 ( z ) = 1 + ( z ，) 2 ( 2 - 2 ) 当= 5 0 时， q 。1 = 即高斯光束的束腰半径a 如图2 - 2 所示。 激光束边界轮廓 光强p f尹 一一 了卜 ，0 确 乏产、 i z 7 渐近线，7b ， ，。 圈2 - 2 耐斯光束 f i g 2 2t h e f a rf i e l dd i v e r g e n c eo fg a u s s i a nl i g h tb e a m 是高斯光束的特征参量，出激光器的结构所决定。又从图2 2 中可 以很直观地看到，高斯光束在自由空间传播时，其光束截面半径国f = 1 与： 不成线性关系。由式( 2 - 1 ) 可知高斯光束的截面半径轨迹为一对双曲线。 高斯光束波面的曲率半径r ( z 1 为 r ( z ) z + ( 手 2 = ，( 手+ 导 = z + c z 一， 当z = 0 时，月( o ) = 0 0 ，表明高斯光束在束腰处，其波面为平面波，把 胄( z ) 对z 求导可求得r ( z ) 的极值z = 碱，把此值代入式( 2 - 3 ) 中可得： 哈尔滨工业欠学工学硕士学位论文 尺( z ) = z = 2 ，r - 瞄7 - ( 2 4 ) 又在z = c o 时，r ( z ) 一0 0 。可见，高斯光束在传播过程中，光束波面的 曲率半径由0 0 逐步变小，达到较小值后又开始变大，直到无限远时变为。o 。 高斯光束相位因子( z ) 为 北) 一弋z ，) _ m 。嗡j ( 2 _ 5 ) 2 半导体激光器的远场发散角根据高斯函数的特点，可对高斯光斑截 面尺寸有多种定义，如1 e 2 定义、功率密度分布转折点的定义及功率密度分 布的标准离差定义等。常用的是1 e 2 定义：即光斑尺寸为电矢量振幅下降到 中心值( 中心点( 0 , 0 ，z ) 的振幅) 的l e ，或光强下降到中心光强的l 尼2 时 ( 这时的光斑能量大约占总能量的8 6 5 ，集中了激光束的绝大部分能量) ， 所对应的点( x ，y z ) 到中心点的距离【3 3 3 5 1 。 在高斯光束传播过程中，要用双曲线的渐近线来表示。在图2 2 中，令 双曲线的渐近线与光束对称轴的夹角0 称为光束远场发散角，又称为高斯光 束的孔径角，则有 t a n o ：1 i m 竺( 2 6 ) 出 把式( 2 - 5 ) 对z 求导，并令z 斗0 0 可得 0 ：上l( 2 7 ) 厅w 0 通常我们用全发散角2 岔表征光束的发散程度。分析2 口在整个传播光路 的变化青况，可知在z = o 处，2 口= o 。当z 增大，2 口增加。在z = o 到z = z ，这 段范围内，全发散角变化较慢，我们称z ，为准直距离，z r ；! # 。在z z ， 全发散角变化加快。当z - 0 0 ，2 0 变为常数。我们定义此处的全发散角称为 远场发散角，有 2 0 ；2 二l( 2 8 ) 疗w 0 可以看出，理论上的远场( z - - 9 。0 时) 发散角实际就是以光斑尺寸为轨 迹的两条双曲线的渐近线问的夹角。此时高斯光束振幅减小到中心最大值的 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 e ( 即光强衰减到中心最大值的1 e 2 ) 。计算证明，包含在发散全角2 只。范 围内的功率占高斯基模光束总功率的8 6 5 。 由于不可能在无穷远处( z - o o 时) 测量，故式( 2 - 7 ) 只是理论上的 计算式，不能作为测量公式，而需用近似测量来代替。可以证明，当 z 7 z ，= 7 ；r c 0 0 2 i 时，2 8 ( z ) 2 8 ( ) 9 9 ，即当z 值大于7 倍z ，时所测得的 全发散角，可和理论上的远场发散角相比，误差仅在l 以内。那么z 值带 来的实验误差已不是影响实验结果的主要因素了。当然，z 值越大，试验结 果也就越精确。 3 半导体激光器的高斯光斑截面实际中遇到的大都是椭圆横截面的高 斯光束( 包括半导体激光器) ，即椭圆高斯光束，这是因为在激光谐振腔的 横平面的两个垂直方向上，若谐振腔具有不同的几何特性，在这种谐振腔中 振荡而输出的高斯光束，是椭圆高斯光束。因此，在空间某一点处的横平面 上，光斑截面不再是圆形而是椭圆形 3 6 , 3 7 】。 4 球面波可以证明，在均匀介质中的高斯光束的等相位面是球面。等 相位面的曲率半径p ( z ) 为： r 7 、2 p ( z ) = z 1 + l 土| 】 ( 2 - 9 ) 由上面公式可知：z = 0 时，p = 0 0 ，等相位面为平面：j z l ( ( z ，时， 尸“z ；z ；z = z ，时，p = 2 z ，曲率半径j pj 取极小值；z ) ) z ，时，户z z ， 远场处的高斯光束可近似为z = o 处发出的球面波。由于z 。的值在胛级，故 z ) z ，很容易满足，即通常所测远场发散角时的光束均可视为球面波。 2 2 常用发散角测量方法的研究 半导体激光器远场发散角作为评价激光质量的一个重要的性能参数，其 常规的测量方法有烧蚀法、套孔法和光楔法等。这些方法目前仍为i s o 介 绍使用i ) 。传统的套孔法在安置套孔于后焦面时有较大误差，随后发展了 烧斑法，但是，读取光斑半径时没有考虑相纸烧伤阈值，而且光斑边缘模 糊，影响测量结果【40 1 。后来用c c d 面阵接收光强进行检测使测量精度比传 统的方法有较大提高，但是其数字化处理需辅以微机接口和专门的软件支 哈尔滨工业大学_ t - 学硕士学位论文 自e ! = ! ! ! j ! = = = = = = = l ! j _ l _ _ = = = = ! = ! e ! ! ! ! ! = = = = ! j i | _ _ 日= = = _ ! = e = ! e = = j # - _ _ e ! ! t e l = = j m l 持，结构复杂，价格不菲。 下面简单的介绍几种常用的发散角测量方法。 1 针孔扫描法测量基模光斑尺寸这是通过记录光斑上各点的强度，扫 描出光斑空间的强度分布曲线，然后根据光斑尺寸的定义，从图上定出光斑 尺寸【4 2 1 。 将待侧光束入射到光电探测器上。在探测器前面放置开有针孔的屏，针 孔尺寸在3 0 至4 0 u r n 之间。探测器的输出用x - y 函数记录仪记录。用马达 慢慢地驱动针孔光屏连同探测器横越扫描光束，在x y 函数记录仪上便画出 一条激光强度空间分布曲线，从而确定光斑尺寸，得到发散角数值。 在测量时需要注意x - y 函数记录仪的走纸速度u ，与光电探测器扫描速度 u ，不一样。所以，在记录纸上扫描下来的空间尺寸三和探测器的实际扫描 距离x 并不一样。不考虑这个因素，将会产生很大的测量误差。其次，孔半 径大小耍选择得当，经验上以选r 0 2 出为宜( 是光斑的半径) 。而且要 保证让针孔通过光斑中心扫描【4 3 1 。 2 光阑法测量光斑尺寸在光电探测器前面放一只孔径为西的光阑。通 过二维调节装置，使光阑中心与光斑中心重合。设此时透过光阑的光强( 测 量时可调节光阑位置，使由探测器的输出读数达到最大) 为只。然后移去 光阑，此时探测器的输出读数为p o o 。记两次读数的比值为只只= a ，那 么，光斑尺寸，就可以用下式计算出来【4 4 1 。 翻z = ( 2 1 0 ) 在测量时要让光阑的中心与光斑中心重合，并要求激光器的输出功率比 较稳定。 3 刀口扫描法测量基模光斑尺寸直接用刀口周期的截割光束，用光电 探测器接受透过刀口的光强，并用示波器显示探测器的输出，获得了光强空 间分布图形。并在该图上量出只r 的比值从o 1 变至0 9 经历的时间间隔 f ，a t = t 。一“，其中昂是刀口切至光斑中心时测得的光功率，只是刀口切 至光斑“处得到的光功率。由此便可以由下面的式子算出光斑尺寸【4 5 j ： 国：= n 7 8 0 3 d r ( t 。一“) ( 2 - 1 0 ) 二圳；二射 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 式中q 是刀口斩波器的角速度，是从斩波器的中心至光斑中心的距离。 4 利用c c d 面阵成像技术用c c d 面阵测量发散角是一种标定方 法，一方面可将c c d 准确放置在透镜后焦面上以减少测量误差，使测量精 度上比传统方法有较大提高。另一方面经标定后确定c c d 象元数与远场发 散角的一一对应关系，从而可迅速、准确地测出光束在任一方向的远场发散 角。特别是对于矩形光束或其它非圆对称光束，该方法是十分有效的m j 。 利用c c d 测量远场发散角的原理是利用标定方法根据c c d 接收元的 准确间距，将c c d 准确放置在长焦距透镜的后焦面上，并测得后焦面上光 斑在某个方向上实际尺寸d ，从而得到远场发散角2 i t = d f o 具体安鼹、标定 方法及测量光路安置如图2 3 所示。 图