（物理电子学专业论文）双包层波导grin棒透镜耦合系统的研究.pdf

中文摘要 本论文的研究工作由国家自然科学基金支持。项目名称为“用直接键合技术 制备的双包层波导激光器的研究一( n o 6 0 5 7 8 0 2 2 ) 。 近年来，大功率半导体激光阵列( l d b a r s ) 的发展非常迅猛，最高光电转换 效率接近7 0 ，平均造价可以达到$ 2 5 w ，是非常理想的泵浦光源；同时以光纤 为代表的波导技术也在不断发展，双包层平面波导具有独特的优势，更适合于用 l d - b a r s 泵浦；利用直接键合技术制备双包层平面波导，可以克服晶体晶格或晶 向不匹配的限制，因此基于l d - b a r s 泵浦的直接键合双包层波导激光器将成为未 来激光器研究的一个热点。 本文的主要内容集中于l d - - b a r s 泵浦直接键合双包层波导激光器的耦合系 统的设计与优化，主要研究工作和创新点可以归纳如下： 1 概括了波导激光器和l d - b a r s 的特点，比较了g r i n 棒透镜和均匀介 质棒透镜的准直( 聚焦) 效果，详细介绍了耦合系统中关于l d - b a r s 耦合系统以及光束整形等方面的发展现状。 2 对光线在折射率分布为双曲正割形式的g r i n 棒透镜中的传播轨迹 进行了理论推导，用光线方程证明了横向应用的g r i n 棒透镜中光线 轨迹与g r i n 棒透镜的( 中心) 折射率无关，为归纳总结光线轨迹公 式提供理论支持。 3 通过m a t l a b 追迹和o r i g i n 多项式拟合，分析了横向应用形式的g r i n 棒透镜在准直( 聚焦) 时的特点及其参数影响，通过拟合发现g r i n 棒透镜中光线轨迹为抛物线函数，并独自总结出该情况下光线轨迹 的经验公式及使用方法，为研究横向应用形式的g r i n 棒透镜的成像 特性提供方便的计算公式和方法。 4 采用横向应用形式的g r i n 棒透镜组对l d b a r s 光束在快轴方向进行 准直和聚焦，设计了适合于双包层波导激光器的耦合系统。并通过 遗传算法优化了耦合系统的3 个参数，使快轴方向的耦合效率达到 7 8 7 。在慢轴方向借鉴条纹镜技术进行光束整形，既实现了对慢 轴光束的压缩，也有效利用了快轴方向的光束间隔。 关键词：耦合系统双包层波导渐变折射率棒透镜遗传算法 a b s t r a c t t h ew o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni ss u p p o r t e db yn a t i o n a ls c i e n c ef u n dc o u n c i lo f c h i n au n d e rt h ep r o g r a mo f - r e s e a r c ho fd o u b l e - c l a d d i n gw a v e g u i d el a s e r su s i n g d i r e c tb o n d i n gt e c h n i q u e ( n o 6 0 5 7 8 0 2 2 ) r e c e n t l y , h i g h - p o w e rl d - b a r sa sa l li d e a lk i n do fp u m p i n gl i g h ts o u r c e sh a v e b e e nd e v e l o p e dv e r yr a p i d l y , w h i c he f f i c i e n c yo fe l e c t r i s i t yt ol i g h ti sa p p r o a c h i n g 7 0 a n dt h ea v e r a g ec o s tp e rw a t ti sd e c l i n e dt o $ 2 5 m e a n w h i l e ，t h ev a r i o u so p t i c a l w a v e g u i d ef a b r i c a t i o nm e t h o d s ，e x p e c i a l l yd o u b l e - c l a d d i n gf i b e rw h i c hi ss u i t a b l ef o r l dp u m p i n g ，h a v eb e e n i n v e n t e d s u c c e s s f u l l y d o u b l e c l a d d i n gp l a n a rw a v g u i d e f a b r i c a t e db yd e r i c t - b o n d i n gt e c h n i q u e ，w h i c hi sn o tl i m i t e db yt h em i s m a t c ho f c r y s t a ll a t t i c e s ，i sm o r es u i t a b l ef o rl d - b a r sp u m p i n gt h a no p t i c a lf i b e ra n dc o u l db e ap r o m i s i n gl a s e ri nt h ef u t u r e 。 t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ed e s i g n a n do p t i m i z a t i o no fc o u p l i n gs y s t e mf o r d o u b l e c l a d d i n gp l a n a rw a v e g u i d el a s e rm a d eb yd e r i c t - b o n d i n gm e t h o da n dp u m p e d b yl d - b a r s t h em a i nr e s e a r c hw o r ka n dk e yn e wi d e a so ft h ed i s s e r t a t i o na r el i s ta s f o l l o w s ： 1 t h ef e a t u r e so fw a v e g u i d el a s e ra n dl d - b a r s 玳r e v i e w e da n dt h e d i f f e r e n tr e s u l t so fg r i nr o dl e n sa n dc o m m o nr o dl e n sa r ec o m p a r e d t h ec u r r e n ts t a t u so fl d - b a r sc o u p l i n g s y s t e m sa n db e a ms h a p i n g t e c h n i q u ea r ei n t r o d u c e dt h o r o u g h l y 2 t h ef u n c t i o no fr a yt r a c ei ng r i nr o dl e n sp l a c e da l o n gt r a n s v e r s e d i r e c t i o ni sd e r i v e df r o mr a ye q u a t i o na n di ti sp r o v e dt h a tt h er a yp a t h d o e sn o t h i n gw i t h ( c e n t r a l ) r e f r a c t i v ei n d e xo fg r i nr o dl e n si nt h a tc a s e s ot h ef o m u l ao fr a yp a t hc o u l db ec o n c l u d e db a s i n go nt h ec o n c l u s i o n o b r a i n e da b o v e 3 t h ec h a r a c t e r i s t i c so fg 刚r o dl e n sf o rc o l l i m a t i o no rf o c u sa r ea n a l y s e d b yr a yt r a c i n gt h r o u g ht h em a t l a bs o f t w a r ea n db yf i t t i n gt h r o u g ht h e o r i g i ns o f t w a r e t h ep a r a b o l af u n c t i o no ft h er a yi nag r i nr o dl e n si s d i s c o v e r e db yf i t t i n gm o t h e da n dan e wf o r m u l aa n dt h ew a yo fh o wt ou s e i t , w h i c hi sq u i t eu s e f u lf o rr e s e a r c h i n gt h eg r i nr o dl e n se f f e c t i v e l ya n d e a s i l y , a r ec o n c l u d e di n d e p e n d e n t l yf o rt h ef i r s tt i m ef o rt h e g r i nr o dl e n s l a i da l o n gt r a n s v e r s ed i r e c t i o n 4 a c o u p l i n gs y s t e mw h i c has e to fg r i nr o dl e n s e sl a i da l o n gt r a n s v e r s e d i r e c t i o na r eu s e dt oc o l l i m a t ea n df o c u st h el i g h te m i t e df r o ml d b a r s i n t ot h ed o u b l e - c l a d d i n g w a v e g u i d e l a s e ri s d e s i g n e d t h e n t h r e e p a r a m e t e r so ft h ec o u p l i n gs y s t e ma r eo p t i m i z e db yg as ot h a tac o u p l i n g e f f i c i e n c yo f7 8 7 i sp e r m i t t e df r o mt h a ts y s t e mi nf a s ta x i so fl d b a r s i ns l o wa x i s ，t h eb e a m sa r ed e s i g n e dt ob ec u ta n ds h a p e db yu s i n gt h e s t r i p em i r r o r st e c h n i q u ew h i c hc a l lc u td o w nt h es i z eo fb e a ma l o n g1 0 w a x i sa n df i l lt h eg a pb e t w e e nb a r sa l o n gt h ef a s ta x i s k e y w o r d s ：c o u p l i n gs y s t e m ，d o u b l e - c l a d d i n gw a v e g u i d e ，g r i nr o dl e n s ， g a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼太堂或其他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。 学位论文作者签名：鼍p 砷 签字同期：，7 年 碉厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：炒7 年 j 唿户冲 月孑日 黝躲扬氏酊 签字同期：岬年l 月7 同 天津大学硕士学位论文 双包层波导g r i n 棒透镜耦合系统的研究 第一章绪论 为了满足波导激光器的大功率和高光束质量、尤其是高耦合效率的需求，研 究人员不断提出各种具有潜力的耦合系统的设计。近几年兴起的l d 阵列泵浦技 术，为各种大功率激光器提供了新的高效光源，以此为基础的双包层波导激光器 也具有了良好的应用前景。 本文以此为基础，通过对横向应用的g r i n 棒透镜进行必要的光线追迹和分 析后，提出了此情况下光线轨迹的经验公式及其应用方法：在详细分析了渐变折 射率棒透镜在横向应用形式下的相关光学性能后，为采用直接键合技术的双包层 波导激光器设计了的一套合理的耦合系统，并通过遗传算法对该系统快轴耦合的 有关设计参数进行了必要优化。 1 1 双包层波导激光器简介 1 1 1 波导激光器 波导激光器是在上世纪9 0 年代出现的一种微型固体激光器，是利用半导体 的光刻蚀技术在掺有激活离子的块状基底材料上制备出光波导，通过在光波导的 两端设置反射装置，使其成为该激光器的有源增益区( 一般有源区的直径为波长 的十倍左右) ，同时利用光波导本身的束缚作用产生一定模式的激光，如图卜1 所示。由于波导对光的束缚作用，使有源区的光密度增加，有利于降低阈值并提 高效率，是一种很有发展潜力的新型激光器。 袁面抽运 翻雨抽运 图1 1 波导激光器结构示意图 图1 2 波导激光器的泵浦形式 第一章绪论 波导激光器的制备方法多种多样，比如离子交换、离子扩散、直接键合技术、 激光直写等，所以我们按照介质折射率的特征将波导激光器分为渐变折射率波导 激光器和阶跃式波导激光器，且折射率阶跃式波导激光器泵浦形式如图1 2 所示。 传统的玻璃波导激光器的制备方法一般是在玻璃基底上进行离子掺杂和离子交 换，从而得到在掺杂区域内折射率渐变的光波导激光器；而采用最新的激光晶片 直接键合技术可以得到阶跃式波导激光器。 传统波导激光器为了获得良好的激光输出模式，数值孔径很小，所以光能量 耦合效率很低，再加上波导制备技术的局限( 一般只能制造出渐变折射率的光波 导) ，所以其发展和应用远没有同期的光纤激光器进展迅速。但是随着新型波导 器件的出现，波导激光器也进入快速发展阶段，并且相对于其它类型激光器，具 有某些突出优点。 一波导激光器相对于固体激光器的优势 首先，波导激光器可以获得更高的光功率密度，与相同长度的块状增益介质 相比较，波导激光器具有更高的增益和更低的激光阈值； 其次，由于波导的束缚作用，波导激光器输出的激光模式相对于固体激光器 输出的激光具有更高的光束质量； 再次，在耦合得到相同功率的情况下，波导激光器具有很高的激光输出效率， 并且可以在某些特定波段实现激光的较高功率输出，比如在15 5 0 n m 波段就少有 高功率的激光晶体。 最后，相对于固体激光器，波导激光器具有更好的热扩散结构。平板波导激 光器的板状几何形状允许在板间进行更高效地一维冷却，因此很适合消除热效应 产生的不良影响，比如克服热透镜效应，并提高应力破损极限。 二波导激光器相对于光纤激光器的优势 从基本原理上来说，光纤激光器实际上也是一种波导激光器，由于其采用可 以大规模生产的光纤作为增益介质，因此得以迅速发展。但是由于拉制光纤中的 激活离子的掺杂浓度不能很高，否则会产生很大的损耗，因此作为增益介质的光 纤，往往需要长达数米，从而会产生一系列的不利因素。比如，大多数单频光纤 激光器适于实现小于1 0 0 k h z 的窄线宽【l 】，【2 1 ，而其输出功率典型值不超过1 0 r o w ， 为了减小激光器体积而设计的环形光纤激光器，其线宽小于1 0 k h z 时最大输出功 率很低。 首先，玻璃波导激光器与光纤激光器具有相似或相同的工作介质，但在波导 激光器中e r 、y b 等稀土元素掺杂浓度往往要比光纤激光器中的相应值高1 0 - - 2 0 倍。这一优势允许波导激光器可以在比光纤器件更小的体积内获得较高的输出功 2 天津大学硕士学位论文 职包层被导g r i n 棒透镜耦合系统的研究 率。波导激光器的小巧体积正是基于其稀土离子的高掺杂浓度以及较低的腔内损 耗实现的，而小巧体积和单片结构的波导激光器，更适合应用于移动装置中。 其次，波导装置具有较短的腔长可以实现高重复频率的基波锁模，这是光 纤激光器难以达到的。另外由于腔长较短，波导激光器可以降低环境噪声对其所 造成的影响并减小所需的绝缘包装进一步提高其稳定性，在这方面也大大优于 光纤激光器。 再次，波导激光器使用通用的光学加工设备即可制备，制造方便且大规模制 各的成本较低，而光纤激光器则需要专用的光纤拉制设备等。 最后波导激光器从理论上更适合于l d 阵列泵浦。与l d 泵浦光纤激光器 相比，波导的截砸与l d 的椭圆光束更接近，所以在相同的耦合效率下，l d 泵 浦光波导的耦合系统会相对简单。 可见波导激光器具有高增益、短腔长、高稳定性、高光束质量和可集成化 等众多优点，在未来的通信光源、高重复率t h z 波光源等方面具有很好的应用 前景。 1 1 2 双包层波导激光器 包层泵浦技术是】9 9 8 由es n i t z e r 首先提出的口i ，它的一个突出应用就体现在 近几年来令人瞩目的双包层光纤的出现，从而使得提高泵浦耦台效率与保持良好 的激光空间模场分布这一矛盾在很大程度上得到巧妙的解决。目前大功率职包层 光纤激光器已经可以制造出输出功率达到千瓦量级的产品，比如i p g 公司的双包 层光纤激光器单模输出功率可以达到2 k w 【4 】多包层光纤激光器单模输出功率可 以达l u 5 0 k w p j ，由此可见包层泵浦技术有巨大优势。 一遵只- 将双包层光纤激光器的物理思想移植到平板波导激光器中，如图1 3 所示， 通过建立内包层，使平板波导激光器接受泵浦光的数值孔径大大增加，从而可以 第一章绪论 有效地增加泵浦光的耦合效率，改善现有的波导激光器的性能；同时不会减弱波 导激光器的芯层对激光振荡模式的束缚能力，从而输出的光束质量不会恶化。 包层泵浦技术的优势在于，大大降低了对泵浦源的光束尺寸和发散角的苛刻 要求。从而采用包层泵浦时更适于采用功率更大、性价比更高的半导体激光器 ( l d ) 阵列作为泵浦光源，在不需要过分复杂、昂贵的光束整形及耦合光学系统的 前提下，还能得到比较高的泵浦耦合效率，例如图1 4 为双包层平面波导激光器 的贴近耦合方式。 帅一l o v o 一| 卜- 唑兰壁! 鲫衄 ，j ，7 、l v a ( ； 么一，、， 一t 一 lr 、j “” l 一 d 融b o f、一 y n 、- 飘嚼蛳 图l - 4 双包层平面波导的贴近耦合系统侧视图 ，o d 蚺 5 0 娜 双包层波导激光器的内包层中含有一个单模掺杂芯层。泵浦光通过耦合进入 内包层和芯层，在包层中传输的泵浦光会不断进入折射率略高的芯层而被吸收， 从而在芯层内形成单一空间模式的激光输出。传统的平板波导的芯层直径大约是 1 0 1 上m 左右，为了将双包层结构融入平板波导，又保持波导对泵浦光空间模式的 有效控制，要采用加大掺杂芯层和内包层的厚度比的方法。而典型的双包层波导 芯层宽度可以达到3 0 p j n 左右，显然这有利于提高激光器的性能，部分参数如图 1 - 4 所示。 基于直接键合技术的双包层波导激光器的出现是波导激光器技术的一个最 新进展。晶片直接键合技术是材料集成的一项新工艺，可以使不同晶格常数或者 晶向失配的晶体直接粘合在一起，从而制备出外延生长技术难以实现的器件。其 具体要求包括( 1 ) 晶体减薄后的键合表面要求高度清洁、平整和表面激活；( 2 ) 半导体晶体键合技术为室温超高真空键合或表面化学反应激活键合；( 3 ) 激光晶 体的键合一般包括y a g n d ：y a g 厂y a g 晶体键合、y v 0 4 n d ：y v 0 4 y v 0 4 晶体键 合和s a p p h i r e s a p p h i r e 晶体键合等。直接键合技术并不是仅靠平滑表面间的范德 瓦尔斯力或氢键等来实现，主要通过超高真空或化学表面激活反应从而在两表面 间产生共价键来实现稳固的无胶粘合，键合界面空洞可以通过扫描电子显微镜来 4 天津大学硕士学位论文双包层波导g r i n 棒透镜耦合系统的研究 检查，键合工艺对晶体质量的影响可以通过光致发光谱来检查，键合界面的透光 特性可以用可见光透射谱来检查f 6 】o 1 2 激光二极管阵列( l d a s ) 简介 激光光源的不断进步促使激光泵浦技术不断进步。c 0 2 激光器和灯泵n d ： y a g 激光器是最初的激光光源的代表，它们都属于电泵浦技术，功耗大，泵浦效 率低。二极管激光器高效率和长寿命使它成为灯泵激光器的理想接替者，首先出 现的为棒状二极管固体激光器，而新一代二极管泵浦激光器大多是盘状或平板状 激光器( d i s ca n ds l a bl a s e r ) 。 随着大功率二极管激光器的高速发展，二极管激光器阵列也随之兴起。另外， 二极管激光器具有相对较高的光束质量，使其可以良好聚焦；能够灵活调整泵浦 强度的空间分布的特性，使其具有灯泵所不具备的优点；二极管泵浦可以大大减 小热透镜效应，甚至在有些材料中可以完全避免。所以众多科研机构，包括美国 空军科研实验室以及高能激光焊接研究室，都在资助进行二极管激光器阵列泵浦 技术的研究i ，j 。 激光二极管阵列( l a s e r - d i o d ea r r a y s ，l d a s ) 在国内外文献中存在多种名称， 如二极管激光器堆( d l s t a c k ，d l s ) ，l d b a r s ( b j ：d lb a r ) 等，本文中统一采 用l d b a r s 形式。l d - b a r 中的任何一个激光二极管发光面积约为l u m ( 快轴) x 1 5 0 u m ( 慢轴) ；相邻两个l d b a r 的间隔( 也就是高度h l 口陆) 为1 5 1 7m m ，一 般情况下由于l d 激活区快轴方向厚度仅l 微米，所以相对l d b a r s 间隔可以忽略 不计，慢轴方向长度为1 5 0 u m ，慢轴激活区间隔为5 0 0 u m ，也就是1 9 个分立的 l d 组成的一个1 0 m m 长的l d b 牡发光阵列。快轴( y 轴) 发散半角一般为1 5 - - 2 0 度，慢轴( x 轴) 发散半角一般为5 度，如图1 5 所示；也有报道高功率l d b a r ( 8 0 w ) 的慢轴发散角仅为2 5 度( 4 3 6m r a d ) ，但未见量产1 8 】。 降 图1 5l d ( d l a ，l d - b a r ) 的发散角 l d b a r 的典型参数如表1 1 所示，单条l d b a r 功率通常为2 0 5 0 w ，也有单 条大功率( c w ) l d b a r 为6 0 w ( m o d u l i g h t , n o r t h r op g r u m m a n 等) ，并且一个 l d b a r s 最多可以集成“个这样i 拘b a r ( n o r t h r op g r u m m a n 产品) ，同时也有实验 第一章绪论 室报道其单条( c w ) l d b a r 可以达到1 2 0 w 的超高功率【9 1 ，对于以单条( q c w ) l d b a r 有功率为2 0 0 w 的报道。l d b a r s 近场光斑为平顶分布，如图1 6 所示【1 0 】； 对于远场光斑，一般快轴方向为高斯分布】，慢轴方向为t o p - h a t 分布形式【12 1 。本 文采用的l d b a r s 中心波长为8 0 8 n m ，并且l d b a r s 的其它参数均选用典型参数， 以保证采购等方便合理。 图1 - 64 b a r 形式的l d 阵列近场光斑 表1 1 l a s e rd i o d eb a r 参数 坠! ! 旦垦! ：羔! ! ： 父= 塑堕兰坐竺兰q ：丝坚：曼竺墨苎 l a r ；l i n t l t r、a i u t 、u i t i l l n i t s ，c e n l e l “w a v e l e n g t h j ，808 8 0 8 j 。d i r t w “c l c n g l h 丁l l c f 。a n c c ：t 3 ：j n i l l ； s p e c w a lw i d t h ( f w t l m ) 臻黝魏隧荔荔戮磐3j 黝戮：三善：嬲，3 荔鬏嚣；- 栅， ) u t p t l lf n 、 c r 4 0 s ( w 舅, o p e r a t i n gc u r r a n t 鬟鬣泛荔墨黧雾g 雾参鬣荔；4 3 荔i 滋；笺5 9 。麓曼瑟鬈髫ai ( ) p c r i l i l n gv o l l u 竽c 1 7 51 7 5 v 爹t h r c s h o l dc u r r e m 二缪臻獗。：臻象獗臻嬲男8，彩纛i ：露薹荔1 4 黧獭戮缀“- a “ s i t , p ce l l l 。l c n c ， 1 1 5l 。1 5w a i ；c o n v c t s i o ae l m ：i 。嗍鬟圣渤蜓臻荔磊苏j5 0 糍臻藏麓臻；。7 5 0 。鳓i 雾： ，。 d k d to 3o 3 n r l l 。c ：s l o wa x i sd i v e r g o n c et 例v n m ) j 毙糖i 葬j ：1 0 ；荔。臻茹淼磊荔1 0c “ - 碧露象d e g ， f a 、1a x l kd l v l 2 1 掣n c cl f w h m i3 5 3 5 【i c g 警n u m b c o fe m i t t e m ，锐。：皇强震笔鬟琴 雾；71 9j 貉缓缀，磊鲞爹，一 2 5 7 鬃i ；缓魏毫z 7 ，z e m l l l c r 、a ：k i i hl5 02 f ) ， a m i ：正皿i n e rs p 啦! j ? 戮黪髯霉? 鬈兹嚣獭黪棼5 0 0 臻翳黟够磐：4 0 0 筠缓薯彩弘岬，。 f i i if a c i o r3 05 1 )晖 j j p o l m - i z n t i o n ：? 警豸弓孽鬣苏豫簇鹣挚豫臻荔t ej 筘j 臻游端+ 誊t e t 。冬孩；j 爱”鼍 - rs i z c 1 0 x1 51 0 x1 5 r n m 使用典型的l d 光源为大功率双包层波导激光器提供泵浦时，对于单条 l d b a r 设计，其功率难以满足要求，所以可采用两条或三条l d b a r 叠成l d 阵 列( l d b a r s ) 的形式。当采用三条b a r 形式l d b a r s 时，整体发光面积可以视 为3 r a m 1 0 m m ：如果采用两条b a r 形式l d b a r s ，则整体发光面积相对降为 1 5 r a m 1 0 m m ，当在快轴方向进行准直或聚焦时，这两种情况下的耦合系统设 计相类似。 1 3 波导耦合系统简介 从对双包层波导和对二极管阵列光源的介绍中不难看出，激光二极管阵列泵 浦双包层波导激光器潜力巨大，很有研究价值和实际意义。 对于大功率全固态激光器，其泵浦光的尺寸要求相对于波导激光器略低，所 以大多使用l d 阵列作为泵浦光源，相反波导激光器以及光纤激光器一般采用单个 6 天津大学硕士学位论文双包层波导g r i n 棒透镜耦合系统的研究 或数个l d 形式的泵浦光源端泵的设计【l3 1 ，最新的双包层光纤激光器也可采用 l d - b a r s 侧向泵浦盘状光纤结构l i 引、多裸纤熔锥侧向泵浦、嵌入反射镜式泵浦1 1 5 以及v 型槽设计【16 。，不过这些方案现在还难以直接应用到双包层波导激光器中。 对于l d 泵浦双包层波导激光器的耦合系统，国内外采用的设计方案一般为： 利用均匀介质柱透镜及其阵列对每个l d 快轴和慢轴分别准直，数个l d 光源进行 并束，最后通过球面镜或纵向应用的g r i n 棒透镜来聚焦光斑并耦合进波导，如 图1 7 所示。j i m a c k e n z i ea n dd rs h e p h e r d 在调q 双包层波导激光器中通过对 两个9 1 4 n m 的l d 使用柱透镜准直、p b s 并束以及球面镜聚焦后，实现输出8 u r n ( 快轴) l o o u m ( 慢轴) 的光斑1 1 ，相对应的光束m 2 因子分别为3 8 和2 1 ，耦 合系统的效率约9 0 ，其它l d 光束合束方式还包括微位移棱镜、光纤连接等。 anf l 嘶：圆墨 | 位曲。 f 2 1 曲 国 牺l d 3 i 鸭s 二一 a 经p b s 并束的2 - l d 泵浦双包层波导激光器的耦合系统b3 - l d 的p b s 及半透半反膜并束 图1 7l d 泵浦双包层波导耦合系统设计 图1 8 单l d - b a r 泵浦波导耦合系统图1 - 9 光束斩波整形 对于单条l d - b a r 泵浦波导激光器，国外相关耦合系统设计方案如图1 - 8 所示， 其中g r i n 棒透镜用作快轴方向聚焦透镜，而快轴准直仍使用均匀折射率棒透镜 1 8 1 。对于l d b a r s 作为泵浦光源时，一般仍使用均匀折射率棒透镜进行快轴准直， 在慢轴方向使用普通柱透镜、均匀折射率或g r i n 棒透镜阵列1 1 9 】等进行光束准直 然后再进行光束整形设计，单l d b a r 光束斩波如图1 9 所示【2 0 1 2 q 。 第一章绪论 a 光学光康整形器件b 光柬整形后的光斑 田l 1 0 意太利p a d o v a 大学的光束整形器件( 申请专利) 及光束整形效果 光束整形方法有多种，如德国夫朗和费激光技术所提出的阶梯反射镜法【圳， 瑞士伯尔尼大学的光纤整形删，英国s o u t h a m p t o n 大学的取面镜整形伫4 l ，e l 本钢 铁公司的多棱镜阵列整形1 2 5 】，美国a p o l l ol n s m u n e n t s 公司的棱镜组内反射整形 删，美目l b o s t o nl a s e r 公司的渐变折射率透镜阵列整形旧，以及上海光学齄密机 械研究所的微片棱镜堆整形1 2 i 等。 意大利p a d o v a 大学l u x o r 实验室利用图l - l o 所示的光束整形器件，对1 c m 长、约6 0 个l d 组成、功率为2 0 0 w 的准连续( q c w ) 单条l d b a r 按照圈1 9 所 示的方式进行光束整形，得到3 0 0 u r n x 2 5 0 u r n 的光斑。国内清华大学潘圆圆等对 单条4 0 w 的l d - b a r 采用棱镜组光束整形技术，将l d 阵列经棱镜组光束整形后最 终输出光束为o7 m i n x 0 7 r a m 的光斑，且整形效率为9 0 1 2 9 1 。对于把大功率的激 光二极管阵列会聚为更小尺寸的光斑的情况，如5 0 u m x5 0 0 u r n 的职包层波导端 面目前尚无相关报道。基于斩被技术的光束整形，一般不能降低光束内部的空 间间隔并实现光束的并柬。 泵浦系统可采用光纤或者其它整形连接器件直接连接l d b a r 和波导端面的 形式，比如s c h o t l 公司罐新的b e a ms h a p e r 可以对单l d - b a r 实现光束整形，如 图卜1 l 所示。它可咀实现对几十瓦的l d - b a r 输出光束进行整形，整形效率( 输 出功率与输入功率之比) 达9 0 ，波长范围4 0 0 n m 一1 7 0 0 n m ，耐温最高达3 5 0 。 芭 天津大学硕士学位论文 取包层渡导g r i n 棒透镜耦台系统的研究 圈1 i ls c h o a 公司b e a ms h a p e r 在光束整形前需要对l d - b a r s 光束在快轴方向进行准直，国内外一般采用普 通捧透镜或柱透镜来处理，很少见到横向应用的g r i n 棒透镜以及棒透镜组，尤 其未见报道其横向应用时相关光学性能的分析本文则对此进行了必要研究。 快轴方向的光束在准直后若不进行斩波等光束整形，则需要对光束进行并 束。快轴光束的并束有多种设计方案如利用徽位移棱镜、偏振耦台镜、波长复用 耦合镜等 3 0 l , 其中空间光束的平移如图1 - 1 2 所示；但最新有日本h a m a m a t s u p h o t o n i c skk 中央科研实验室的x i ng a o 等人，利用不同镀膜的条纹镜对斩波后 光束可以实现快轴方向的并柬】，对于光功率为3 1 4 w 的l d b a r s 耦合系统来说， 慢轴整形后输出功率达到2 9 5 w ，整形效率可以达到9 4 。 d i o d e g t a s sp l a t e s d i o d e 圈l 一1 2 2 个l d 光束经微位移棱镜实现并柬 本课题依托于国家自然科学基金项目- 用直接键台技术制备的双包层波导 激光器的研究，主要工作是为基于l d - b a r s 泵浦的直接键台双包层波导激光器设 计出一套科学台理的耦合系统，并优化相关参数。 本文耦合系统主要设计工作包括：( 1 ) 在l d - b a r s 快轴方向上将3 r a m 的光 束宽度压缩到5 0 a m 左右并保证光线发散角小于双包层波导数值孔径的要求，从 而使更多泵浦光有效地耦合进波导的内包层和芯层：( 2 ) 在l d b a r s 慢轴方向上 借鉴条纹镜技术结台快轴设计方案，尽力将光斑压缩到5 0 0 u m 左右，实现更 佳的慢轴聚焦效果。这样就可咀将二极管光源发出的高度发散、非对称的光束变 换为与双包层波导截面形状相吻台的矩形入射光。 耦合系统的设计目标是达到系统的最简化和耦合效率的最大化。对于 l d b a r s 泵浦波导檄光器的耦台系统设计原理如图1 1 3 所示。 图】- 1 3l d - b a r 到波导的耦台原理框图 图1 1 4 本文默认的空间直角坐标系 第一章绪论 本文使用g r i n 棒透镜的横向应用形式，为了不造成混淆，现统一本文的中 空间直角坐标系默认如图1 1 4 所示，其中x 轴为本文设计的耦合系统中g r i n 棒透镜的轴线方向，即l d b a r 的慢轴方向，也就是系统的横向，y 轴对应l d b a r 的快轴方向，z 轴为系统的光轴，也就是耦合系统的纵向。 1 4 本文的主要工作与创新 本文结合双包层波导激光器的耦合系统的特点，采取理论分析、计算机模拟 仿真和算法优化相结合的方法，对波导耦合系统的参数选择做了详细的论述，对 遗传算法做了一定的介绍。详细来说本文主要包括以下几个方面的工作： 1 采用g r i n 棒透镜组形式来组成耦合系统，并利用该耦合系统将l d b a r s 的光束耦合到双包层波导中。通常的均匀介质透镜在大曲率半径下存在光束质量 差的特点，尤其是球差的存在，让透镜系统对光束的准直和聚焦成为难点。本文 采用的渐变折射率棒透镜( 组) 具有有效焦距小、焦距分布均方差小、光束尺寸 小的优点，可以提高快轴方向的光束质量，从而提高了耦合效率。 2 对g r i n 棒透镜的横向应用进行了光线追迹和分析，发现光线在g r i n 棒透镜中的轨迹满足抛物线函数，并介绍了如何在横向应用的g r i n 棒透镜中使 用该经验公式。 3 经z e m a x 模拟后，发现该耦合系统在慢轴方向的难以对光束实现很好 的聚焦处理，为此借鉴条纹镜的思路设计了适合该耦合系统的慢轴光束整形方 案，从而更好地利用了光束在快轴方向的空间间隔，更有利于提高系统的耦合效 率。 4 遗传算法是一种优秀的全局优化算法，本文借鉴遗传算法来优化耦合系 统的相关参数。 l o 天津大学硕士学位论文双包层波导g r i n 棒透镜耦合系统的研究 第二章g r i n 透镜理论基础 渐变折射率透镜( g r a d i e n ti n d e xl e n s ，g n ) 具有一些普通均匀折射率透 镜所不具备的优势，本章着重介绍了纵向应用形式的g r i n 棒透镜子午面成像特 点( 横向形式应用成象分析见下章) ，以及折射率沿径向双曲正割分布的g r i n 棒透镜在横向( z 轴与透镜轴线垂直) 和纵向应用( z 轴与透镜轴线重合) 时的 光线轨迹特征。 g r i n 透镜的折射率分布函数( r e f r a c t i v ei n d e xp r o f i l e ) 一般为径向双曲正割 分布： ，l ( ，) = 甩os c ch ( g r ) ( 2 1 ) 其中n o 是g r i n 中心折射率；r 是光线到g 刚n 透镜中心轴线的距离，本文为追 迹方便取其单位为u m ；g 是g 刚介质的渐变因子，单位为m m 。 在常见纵向应用的g r i n 棒透镜中，子午面光线可以成完善像，且其光线轨 迹为余弦( 或正弦) 函数，如图2 - 1 所示；而横向应用g r i n 棒透镜在第三章的 光线追迹中，得到的子午面光线一般不成完善象，其轨迹为抛物线函数并取决于 渐变因子g 和近轴点高度h 的大小，如图2 2 所示( 由于z 轴坐标相对较大，所 以曲线相应弯曲程度显示的较小) 。 ， ： 撕 狲 瑚 毒o 瑚 ) ，柏 2 0 柏 2 。 o 锄删棚姻铷- i t s 0 珂：1 0 ，1 拍- 瑚瑚e 的1 伽，卯瑚瑚蛳3 6 04 0 04 m 濑 r朋 图2 1 纵向应用g r i n 透镜中的光线轨迹图2 - 2 横向应用g r i n 棒透镜中的光线轨迹 2 1g r i n 透镜简介 g p i n 透镜是区别于传统球面透镜的常用折射率渐变光学【3 2 】元件，一般分两 大类，一类是短而粗的径向折射率渐变透镜，一类是细而长的折射率渐变光纤。 径向折射率渐变透镜包括有径向折射率渐变棒透镜和径向折射率渐变球透镜( 也 第二章g r i n 透镜理论基础 称为鱼眼透镜) 。 折射率渐变透镜( g r a d i e n ti n d e xl e n s ) 具有一般透镜所不具备的优点：g r i n 棒透镜和柱透镜可以用来对大功率二极管激光器和二极管阵列进行光束整形；无 论是近轴还是离轴光线都可以得到良好的整型效果；由于g r i n 表面可以是不同 于透镜表面的平面，因此易于组装和制造；可以在g r i n 透镜的两个端面上进行 a r 封装，以减小表面反射，从而得到很高的能量透过率；g r i n 的制造技术是 无毒的银离子或锂离子交换技术，无论对于生产者还是使用者都不会对环境造成 伤害。 常用的g r i n 棒透镜一般直径d 为0 5 2 m m 左右( 如g r i n t e c h 公司、l i n o s 公司 均提供类似g r i n 棒透镜) ，焦距一般为0 0 3 4 m m ，渐变因子g 一般为0 1 1 2 8 6 m m 。如表2 1 所示，其中的各个参量的含义可以见图2 3 。g r i n 棒透镜径向的 折射率分布一般为双曲正割函数，渐变因子不同时的函数曲线如图2 _ 4 所示。 z 。 一 叫 一叫 w d 图2 3g r i n 棒透镜参数含义 表2 1 部分渐变折射率棒透镜的参数 1 憎c , r f l 0 骚f o c a ll 蟹j 啊nn u n 舱r w a l k 咻锄畸t hw 删k 旧 h 【缃p 1 0 r o 的光线随着初始高度h 的增 加而增大，也随着半径r 的增加而增大，如图3 5 所示。在初始高度h - - 0 6 r o 的光 线在出射点的误差最大。 0 5 0 1 0 01 5 0 2 0 02 5 03 0 03 5 04 0 04 5 05 0 0 ru m 图3 - 5 上述g r i n 棒透镜在划分3 0 0 层时追迹数据与经验公式的误差 随着分层数目的增加，该误差绝对值会降低，尤其是初始入射高度为6 0 半径的误差，如图3 - 6 所示。可以看出随着分层密度越高，追迹数据越接近于总 结出的经验公式。这也意味着图3 5 中的数据精度误差在分层越多时，会相应的 变小。这是由于光线在初始入射高度h 处为平行光，在到达g r i n 棒透镜内的下 一层前，会直线传播比较长的一段距离产生较大误差，尤其是在g r i n 棒透镜分 为3 0 0 层追迹的情况，不过当划分的层数为5 0 0 0 层时，该直线传播长度仍然超 过6 微米，从而误差仍然存在，而在真实的g r i n 棒透镜中这段光线轨迹应该是 曲线。鉴于分层成倍增加时，计算量也按照指数增长，本文大多采用5 0 0 层g r i n 棒透镜的分层形式追迹，从而得到的光线追迹的数据与总结出的光线轨