（光学工程专业论文）单片式半导体激光光束控制的研究.pdf

6 8 9 0 4 9 浙江大学刁 i i ! 论文 y 摘要 随着光电子器件的迅速发展， 特别是半导体器件性能的不断提高， 使半导体激光器 ( s e m i c o n d u c t o r l 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。 而边缘发 射半导 体激光 器 ( e d g e - e m it t i n g l a s e r d i o d e )的光束质量成为了制约半导体激光器应用的主要瓶颈。如何提高半导体激光器 的光束质量成为了人们越来越关心的问题。 改善半导体激光光束出射质量的技术可以分为两类。 一种是通过改变半导体激光器 本身或者外加谐振腔等方法， 内 在地改变出射光束质量。 而另外一种更加常见和简便的 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。 本文主要集中讨论利用外力 _ 不同光学系统的方法， 改善端面发射半导体激光器的出 射光束质量。 这种方法的主要优点在于， 不对半导体激光器本身做任何改变， 使之更容 易施行;并且成本相对较低。 在半导体激光器制造技术没有得到重大突破的今天，这种 方法将是首选。 本文主要讨论的问题有两个:一 是半导体激光器的光束整形。 根据不同的需要， 通 过外加光学系统改变半导体激光出射光束的远场分布。本文中讨论的是通过光学系统， 将半导体激光光束的远场分布变换为均匀直线。这项技术在激光加工、 激光照排、激光 印刷等领域有着重要的应用。二是半导体激光器的光纤祸合。 在激光加工、固体激光器 泵浦以及些医疗领域等，需要通过光纤输出的激光。优点在于光束质量好、可以仟意 改变光束的出射方向和位置。 本文主要讨论大功率单片式宽发射域半导体激光器的多模 光纤微透镜祸合。通过这项技术，可以有效提高光纤输出光束的光亮度。 本文正文部分共分为四章。 第一章简要介绍了半导体激光器的发展、 分类以及特性。 第二章讨论并归纳了在激光光束控制领域前人的工作和成果。 第三章详细讨论了一种由 本课题组提出的新型均匀半导 体激光光束线产生器; 并利用计算机辅助模拟验证了这种 光束线产生器的性能。 第四章详细通论了利用光纤微透镜藕合大功率宽发射域半导休激 光器出射光束:同样利用计算机辅助模拟了拙合过程， 并通过实验验证了i m 合系统的可 行性。实验中得到的最高祸合效率为 8 7 .0 6 %,相比于无光纤微透镜的同样激光器与同 样多模光纤藕合的最高祸合效率 ( 3 9 .4 1 %)提高一倍。 摘要 关键词:半导体激光器，光束质量控制，光束整形，光纤祸合，光束线产生器，微透镜 光纤 浙江大学硕士论文 abs tract b e c a u s e o f t h e r a p i d d e v e lo p m e n t o f t h e o p t o e l e c t r o n i c d e v i c e s , e s p e c i a l l y t h e s e m i c o n d u c t o r l a s e r s , l d s ( l a s e r d i o d e s ) h a v e b e e n u s e d in m o r e a n d m o r e a r e a s , i n c l u d i n g o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n , s o l i d - s t a t e l a s e r p u m p i n g , l a s e r p r o c e s s i n g , l a s e r p r i n t i n g a n d m e d i c a l a p p l i c a t io n s . b u t t h e p o o r o u t p u t b e a m q u a l i t y o f t h e e d g e - e m i tt i n g s e m i c o n d u c t o r l a s e r l i m i t s i t s f u r t h e r a p p l i c a t i o n s . h o w t o i m p r o v e t h e q u a l i t y o f t h e e d g e - e m i tt i n g s e m ic o n d u c t o r l a s e r b e a m b e c o m e s a w id e l y c o n c e r n e d p r o b l e m . t h e r e a r e t w o k i n d s o f t e c h n i q u e s t o im p r o v e t h e b e a m q u a l it y o f t h e l d . t h e f i r s t o n e i s t o a l t e r t h e b e a m q u a l it y in t e r n a l l y , s u c h a s a d d i n g e x t e r n a l c a v i t y t o t h e l d o r o p t i m i z i n g t h e s t r u c t u r e o f t h e l d c a v it y . t h e s e c o n d o n e i s t o i m p r o v e t h e b e a m q u a l i t y e x t e r i o r l y ; t h e c o mmo n me t h o d i s t o o p t i c a l e l e m e n t s i n f r o n t o f t h e l a s e r b e a m t h i s t h e s i s f o c u s e s t h e e x t e r i o r t e c h n i q u e s t o i m p r o v e t h e b e a m q u a l i t y o f t h e addon e d g e - e m i t t i n g l d . t h i s k i n d o f t e c h n i q u e s i s c h e a p e r a n d c a n b e r e a l i z e d m o r e e a s i l y . b e f o r e t h e g r e a t b r e a k t h r o u g h o f t h e l d , t h e k i n d o f t e c h n i q u e s i s t h e f i r s t c h o i c e . t h e r e a r e t w o m a i n t o p i c s i n t h e t h e s i s : d i o d e l a s e r b e a m s h a p i n g a n d d i o d e l a s e r b e a m c o u p l i n g . i n t h e b e a m s h a p in g p a r t , a n o v e l d i o d e l a s e r b e a m l i n e g e n e r a t o r a n d h o m o g e n i z e r , w h i c h h a s m u l t i p l e a p p l i c a t i o n s i n l a s e r p r o c e s s i n g a n d la s e r p r in t i n g , h a s b e e n d i s c u s s e d d e t a i l e d ly . i n t h e p a rt o f t h e b e a m c o u p l i n g , t h e c o u p l i n g b e t w e e n t h e h i g h p o w e r s i n g l e e m i t t e r b r o a d a r e a d i o d e l a s e r a n d c y l i n d r i c a l l e n s e d m u l t i m o d e f i b e r h a s b e e n a n a l y z e d a m p l y . t h e u s e o f t h e l e n s e d f i b e r c a n i m p r o v e t h e f i b e r o u t p u t b e a m b r i g h t n e s s g r e a t l y . t h e t h e s i s i n c l u d e s f o u r p a r t s . t h e f i r s t c h a p t e r i n t r o d u c e s t h e d e v e l o p m e n t a n d t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s e m i c o n d u c t o r l as e r s . t h e f o r m e r d i o d e l a s e r b e a m c o n t r o l t e c h n i q u e s a r e d i s c u s s e d i n t h e s e c o n d c h a p t e r . t h e t h i r d p a r t o f t h e t h e s i s d i s c u s s e s t h e n o v e l l a s e r b e a m l i n e g e n e r a t o r a n d h o m o g e n i z e r ; a n d t h e r e s u l t s o f t h e c o m p u t e r l i n e g e n e r a t o r h a v e b e e n d e s c r i b e d t o o ; t h e r e s u l t s v e r i f i e d t h e a i d e d s i mu l a t i o n o f t h e b e a n , q u a l i t y o f t h e l i n e g e n e r a t o r . i i i ars trac9 t h e c o u p l i n g b e t w e e n t h e h i g h p o w e r s i n g l e e m i t t e r b r o a d a r e a d i o d e l a s e r a n d t h e c y l i n d r i c a l l e n s e d m u lt i m o d e f i b e r h a s b e e n d i s c u s s e d i n t h e l a s t c h a p t e r ; i n a d d i t i o n , t h e s i m u l a t i o n a n d t h e e x p e r im e n t h a v e b e e n d o n e t o s u p p o r t t h e t h e o r e t i c a l r e s u l t s . i n t h e e x p e r i m e n t s , t h e m a x i m u m p r a c t i c a l c o u p l i n g e f f ic i e n c y i s 8 7 . 0 6 % , w h i c h i s a s t w o t i m e s a s t h e m a x i m u m p r a c t i c a l c o u p l i n g e ff i c i e n c y b e t w e e n t h e s a m e l d a n d t h e s a m e m u l t i m o d e f i b e r w i t h o u t f i b e r m i c r o - l e n s ( 3 9 .4 1 % ) . k e y w o r d s : s e m i c o n d u c t o r l a s e r , b e a m q u a l it y c o n t r o l , b e a m s h a p i n g , f i b e r c o u p l i n g , b e a m l i n e g e n e r a t o r , mi c r o - l e n s e d f i b e r 浙江火学硕十论文 第一章 绪论 1 . 1半导体激光器发展回顾 工作物质为半导体晶体的激光器称为半导体激光器。 1 9 6 2 年三个研究小组同时发表 了 正向 偏 压厂 g a a s p - 。 结 激光 器 成 功 的 受 激发 射 1月 1 0 7 7 k的 温 度 下 获 得 波 长 为8 3 0 n m 的 相 干 辐 射 激 光 脉 冲。 这 种 激 光 器 是 同 质 结 构( h o m o s t ru c t u r e ) 器 件 ts l ，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解理平行端面构 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 , g a i n a s 和i n a s p等结构， 得到了 不同温 度; 发射不同波 长激光的半导 体器件。但是 同 质结 存在闭 值电 流密 度太大的 问 题( 一 般j ,t, 5 0 k a / c m ) ， 以 至于 此类 器 件很难在室 温 下 连续工作。 1 9 6 3 年美国的k r o e m e r (6 1 和前苏联的a l f e r o v 1 7 1 等人 提出 利用不同带隙 材料构成的半 泞 体器件， 称为异质结构 ( 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构 ( s i n g l e h e t e r o s t r u c t u r e )和双异质结构 ( d o u b l e h e t e r o s t r u c t u r e ) 两类激光器。 前者由 一个异质结和一个同质结构成; 后者则由两 个异质 结 构成。 双异质结的发现， 使半导体激光器的 性能得到显著改善8 1 。 双异质结的 优点主 要在于 ( 1 ) 通过构成波导，更有效地限制激光模式。( 2 ) 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 1 9 8 。 年研制成功的量子阱( q u a n t u m w e l l ) 激光器是半导体激光器发展历史上的一 个重要里程碑。 这类激光器具有更低的ii 值电 流密度和更窄的线宽。 量子阱激光器的发 展加快了半导体激光器的实用步伐。 现在商业化的半导体激光器的波氏 范围可以从5 7 0 n m到1 5 5 0 n m。 低于5 0 0 n m的半 导体激光器，如4 1 7 n m的i n g a n多量子阱和波长为4 8 0 n m的z n s e 半导体激光器也己 经实现了室温运转，但是还没有商用化。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 式 布 拉 格 ( d b r ) 激 光 器和 分 布 反 馈式( d f b ) 激 光 器 t 1o 1随 着 对半 导 体 激 光器功率要 求的 提高， 又出 现了 半导 体激 光 棒( b a r ) 、 阵 列 a r r a y ) 和 堆层 ( s t a c k ) 等 阵 列 结 构 i i j 。 近 年 来 垂 直 腔 面 发 射 激 光 器( v c s e l : v e r t i c a l c a v it y s u r f a c e e m it t i n g l a s e r ) 的发展也很迅速 12 1半 导体激光器基本为连续工作; 脉冲的_ f 作方式也可以实 第一章绪论 现， 但是无法提供与其它脉冲激光器相当的功率输出。 半导体激光器的典型线宽在数十 纳米。半导体激光器虽然也可以采用光泵浦，但是电泵浦更加适应实际需要。 由于半导体激光器具有体积小，转换效率高，寿命长，成本低等特点，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浦光源等方面有着越来越重要的应用。表 1 一1 简要 介绍各个波段半导体激光器应用的主要领域。 表 1 一i :半导体激光器应用 荟 1 .2半导体激光器分类 从七十年代初出现室温万 连续工作的半导体激光器以来， 半导体激光器一直吸引着 众多研究者的兴趣。半导体激光器的出现给整个光电子领域带来了蓬勃生机。 随着应用 领域的扩大， 半导体激光器的研究以令人惊异的速度发展。半导体激光器的类型也越来 越多。表 l -2 给出了根据不同分类方法下半导体激光器的分类。 表1 - 2 :半导体激光器的分 类 由于本论文主要集中在单片式半导休激光器的光束控制， 所以在这里详细介绍根据 结构划分的几种半导体激光器。 2 浙江大学硕士论文 一 是 单片 式 ( s in g le e m i tt 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1 x 3 1 t m ， 通常 输出 光为基模光束， 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。 近年来出 现了大功率宽发射域半导体激 光器 ( b r o a d a r e a d i o d e l a s e r ) ， 其有源区发射截面的尺寸为0 .5 - 1 u m x 5 0 - 2 0 0 u m。 有 报道的最高出射功率可达 1 0 瓦。 二是单元阵列式 ( 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 - l o g m 。 由 于相邻单片激光 器之间的模式重叠， 这些单片激光可以以同一相位输出 相干性比较好的光束。 如图1 -1 所示9 。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，最大的连续输出闰以达到近十瓦。 图1 一! :单元阵列式半导体激光器 三是一维线阵列 ( 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 i 3 。如图1 -2 所示。 该类商用激光器的连续输出 功率可以 达 到 5 0瓦。 第一章绪论 s u b a n - a yo f e l t l i t e r s ( b r o a d - a r e ae m i t t e n 幽1 - - 2 ：一维线阵列、h 导体激光器 四是二维面阵列( s t a c k ) 半导体激光器。又被称为二极管激光器堆。将一维线阵列 半导体激光器采用层叠的方式组合在起构成。由于发光面积的增大，这种器件刈以获 得更大的输出功率。商用此类半导体激光器可以达到数百瓦的非相干激光输出。 本论文的主要研究目标为单片式半导体激光器( 包括宽发射域半导体激光器) 的光 束控制。不同半导体激光器的光束特性有所不同，下一节将具体介绍各种半导体激光器 的光束特性。 1 。3 半导体激光光束特性 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 在激光出刺面临近的激光光束特性( d = k ) 。远场分布特性是指距激光出射面一定距离 ( d ，九) 的光束空间分伟。由于本课题主要集中在半导体激光光束远场分布的控制，所 以下面将主要讨论不同半导体激光器的远场分布特性。 单片式单模半导体激光器的有源层截面为矩形，而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 0 ( f w h m ：峰 值半高的全宽度) 。而平行于p - n 结方向( 也称为慢轴方向) ，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散角也比较小， e 一般为1 0 0 ( f w h m ) 。其远场光强分柑是不对称的，呈椭圆光椎分布，如图l 一3 。 单片式单模半导体激光器的远场分布可以用二维高斯分布来近似表示【l “。 浙江大学硕士论文 阁1 - - 3 ：单片式半导体激光器出射光束远场特性 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l 一4 是有源区发射截面慢轴方向尺寸为2 0 m 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【1 5 。 p ；2 w p ；1 w 1 1 ，i j 1 1 2 01 001 02 0 0 d e g r e e 图1 - - 4 ：大功率宽发射域半导体激光器光束远场分布 由于边缘发射半导体激光器输出光束的不对称性，在实际应用之前，必须要经过光 束控制。半导体激光器光束控制涉及的领域很广；从方法上来分有反射式、折射式和衍 射式。从目的上可以分为：准直、整形和耦合等。本文主要集中在单片式半导体激光光 束的耦合和整形两个领域。 _ m n b量昌，茸gjj目u耍 第一章绪论 1 . 4本课题研究内容及完成主要工作 本文对半导体激光器输出光束的控制技术展开了一系列的研究工作。 主要围绕两大 部分内容:( 1 )单片式半导体激光器的光束整形。( 2 ) 大功率宽发射域半导体激光器与 多模微透镜光纤的藕合。 第一部分内容中，提出了一种新型的基于单模半导体激光器的激光光束线产生器。 利用一种特殊结构的折射棱镜， 将半导体激光器发出的光束分割为多部分， 然后叠加在 远场形成均匀的激光光束线。 经过进一步的考虑， 又提出了另一种改进型半导体激光光 束线产生器系统。并对两种结构进行了分析和比较。通过计算机辅助光学分析工具 a s a p ， 对两 种半 导体激光 光束 线产生系 统的 性能 进行了 分析。 第止部分内容中，建立了 基于mo n t e c a r l o 随机数和光线追迹理论的藕合系统数学 模型，分析了 ( 1 )利用柱状楔形多模光纤微透镜、( 2 )利用柱状楔形多模热膨胀芯径 光纤微透镜辅助大功率宽发射域半导体激光器与多模光纤藕合的藕合系统特性。 对光纤 微透镜的结构参数进行了优化，以便得到高的祸合效率和容忍度。 并对实际封装提出了 一些建议。最后通过藕合实验，对祸合系统数学模型进行了验证;并对利用微透镜光纤 藕合大功率半导体激光的藕合系统性能进行验证。 浙江大学硕士论文 第二章 半导体激光光束控制 2 . 1半导体激光光束控制概述 由于半导体激光器具有体积小、寿命长、波长范围广、成本低等优势，其应用范围 也 越来越广。 但是比较差的光束质量是限制其进一步应用的瓶颈。 改善半导体激光光束 质量有两大类方法， 一是从半导体激光器的内部构造以及发光机理角度出发， 进行各种 改进以获得好的光束质量。 如垂直腔发射激光器、 外腔注入式半导体激光器等。另 一 种 是通过对现有半导体激光器外加光学系统来控制光束， 达到所要求的光束质量和远场分 布。由于后者成本相对较低，成为许多应用的首选。 本文主要讨论通过外加光学系统来 提高和控制半导体激光光束质量的技术。 通过外加光学系统对半导体激光光束进行控制包括半导体激光光束的整形 ( b e a m s h a p i n g ) 和光纤 璃合 ( f ib e r c o u p l in g ) 。 它们 之间 是 相互联 系的: 经过 准直的 半导 体激 光光束可以很方便的进行光纤藕合:而光纤祸合一定要通过准直这一整形步骤。另外， 由于大功率半导体激光器阵列的特殊性， 在本章的最后， 将单独介绍大功率半导体激光 器的光束控制。 本文通过这种分类， 希望可以将半导体激光光束控制这个大范畴进行细 分，从而更加清晰地介绍本文的研究背景。 荟 2 . 2半导体激光器光束整形 半导体激光光束整形是指通过外加光学系统的方法， 改变半导体激光出射光束的远 场特性。 主要改变的 是远场发散 角， 能量分布， 光束束腰直径等光束形状及能量分布参 数:而不改变激光光束的波长，线宽等内在参数。激光光束整形包括: 光束准直 ( c o l l i m a t i o n ) :改变半导体激光光束的 远场发散角和束 腰半径，使远场 发散角减小、远场光束分布更加对称。 光束能量的重新分布 ( r e d i s t r i b u t i o n ) :改变半导体激光光束的能量分布，使之在 远场工作平面上达到均匀分布或某种特定的分布。 第二章半导体激光光束挎制 2 2 1 光束准直 如图2 一l 所示，单模半导体激光在快轴和慢轴方向上的虚拟光源出射点并不一致。 在快轴方向光束的虚拟光源出射点和慢轴方向光束的虚拟光源出射点之间的距离f 被 称为内在散光( i n h e r e n t a s t i g m a t i s m ) 1 1 7 1o 在实际应用中，内在散光是需要校正的，这 种校正就是半导体激光光束的准直。 f a rv b v a a l9 0 1 1 r c p o i n t c a l a x i s 幽2 一l ：单模、p 导体激光椭圆山射光束 早在六十年代，就出现了利用透镜组进行准直的方法【1 8 】。9 0 年代，出现了利用 b r o w s t e r 望远镜系统( 由两块折射棱镜组成) 对半导体激光束进行准直的方法” 。衍射 器件也被应用在准直当中1 2 0 1 ：但是，衍射器件对波长和光束入射角度的要求比较高，并 且会造成部分光能量的损失，所以利用折射类光学器件进行准直成为首选。1 9 9 1 年出现 了利用柱状微透镜组进行准直的方法。近年来，随着g r i n ( g r a d i e n t i n d e x ) 透镜【2 2 和非球面透镜的不断发展，出现了很多利用单个不规则棱镜进行准直的方法陟2 “。下 面介绍其中几种有代表性的方法。 2 2 1 1 非球面圆柱透镜方法 2 0 0 0 年，z h o u 等人提出了一种利用非球面圆柱透镜来准直半导体激光束的方法 1 7 。 此圆柱透镜示意图如图2 2 所示： 浙江大学钡= e 论文 幽2 - - 2 ：一种用于准直半导体激光求的非球面圆柱透镜 这种透镜的入射面用于校正半导体激光束的散光，而出射面对半导体激光束进行准直 并校正椭圆光束为圆光束。这种器件的工作原理如图2 - - 3 所示： f a s ta x i si n p u ts u r f a c e 。八瀛羹筵瓤 一 s l o wa d sa u i p f a ma d so u l t 。a s ta x i sr a y 图2 - - 3 ：一种用于准直半导体激光束的非球面圆柱透镜工作原理 入射面在快轴方向上为凸非球面，在慢轴上是凹非球面。从而扩大光束慢轴发散角； 减小快轴发散角。将光束在快轴和慢轴上的虚拟光源出射点凋整在同一位置。出射面在 馒轴方向上是凸非球面，而在快轴上是平面。通过设计柱透镜的厚度，使快轴、慢轴的 光线达到同一高度后水平出射，达到准直并校正椭圆出射光束为圆形。 这种结构的优点是系统器件少，装配的费用相对低，准直的效果好。但是也存在着器 件本身加工成本高的缺点。 2 2 1 2g r i n 透镜校正方法 g r i n 透镜在半导体激光准直领域应用非常广泛 2 3 。2 ”。目前，通过离子交换技术， 可以比较容易地制备散光的折射光学器件陋2 们。这种半导体激光束准直器的优点在于紧 凑的结构。 g r i n 准直透镜的原理是通过在直角坐标系两垂直轴上进行不同程度的离子交换， 第二章半导体激光光束控制 在这两个轴上形成不同焦距的透镜，分别对半导体激光器的快轴和慢轴光束进行整形。 等效透镜示意图如图2 4 ： 圈2 - 4 ：g r i n 透镜准直器的等效透镜准直原珲 设o x ( z ) ，g y ( z ) 为距激光器出射面z 处的出射光束在快轴和慢轴方向上的束腰宽度； g x 0 ，f f y o 分别为在半导体激光器出射表面时光束在快轴和慢轴的束腰宽度。对于单模半 导体激光器，( 1 x o 的典型值为0 5 9 m ，a y o 的典型值为5 1 t i n 。通过高斯光束的空间传播特 性i ”1 ，可得在t 3 由传播时： = 警7 9 2 0 4 2 c ：吲 设当z 2 2 0 时，光束成为圆形光束，即：吒2 ( 2 。) = 口：( ) ，可以得到： 2 n 2 。2 百吒。仃加 ( 2 3 ) g r i n 等效透镜在快轴和慢轴上的焦距分别为： ( 2 4 ) 驴毛+ 警 c ：吲 假设半导体激光波长为8 0 0 h m 时，z o = 1 9 8 9 i n ，f 。= 1 9 8 t - t m ，f y = 1 9 s 6 6 “m 。根据这三 个参数，可以进行g r i n 透镜的制备。 筹 警 + = 浙江人学顺十论文 g r i n 透镜是通过n a a g 离子交换制备的。将b g g 3 5 玻璃置于3 0 0 0 c 的a g n 0 3 环 境中，持续大约1 0 0 小时。通过一个可以遮住部分透镜玻璃的椭圆金属掩模来控制在两 个轴上的离子交换速率，进而得到g r i n 准直透镜。通过这种方法，可以对边缘发射半 导体激光器的光束进行有效的准直。 除了以e 提到的技术，还有通过折射器件及衍射器件混和进行准直等方法”1 。这里 就不赘述了。 2 2 2 光束能量的重新分布 在激光的很多i 、i 用中，需要改变其光束的远场能量分布。在本章节，不把范围限制 在半导体激光的能量重新分布；因为激光束能量重新分布是一个比较广泛的概念，很多 方法同时适用于不同种激光器。所以这部分介绍的方法也不仅限于半导体激光。激光束 能量的重新分布主要分为两种：一是使激光器的能量在远场工作面h 均匀分布：二是改 变激光束的远场分布，使之形成特定图案，例如线形，十字形，字母形等。 2 2 2 1 光束能量均匀分布 光束能量的均匀分御技术可以按照实现方法分为三个大类2 9 1 ，第一类首先扩大光束 直径，然后通过一个孔径光阑滤掉不均匀的部分，保留中心相对均匀的部分：如图2 5 所示。这种方法的主要缺点是光能量损失太大。并且，通过这种方法进行均匀的出射光 束也不完全均匀。因此这种方法逐渐将被淘汰。 图2 - - 5 ：激光光求孔释光阑法整形 第类方法叫做光场制图( f i e l dm a p p i n g ) 法，即通过某种光学系统将激光出射光 场转化为特定需要的光场分布。图2 - - 6 是将单模高斯激光束转化为均匀分布的原理示 意图。这种方法比较适用于比较理想的单模激光束。 第二章半导体激光光束控制 f i e l dm a p p e r w o r k i n gp l a n e ( j a l l s s l 龇ll a s e rb e a m 圈2 6 ：激光光束光场制图法整形 第三类被称为光束积分器( b e a mi n t e g r a t o r ) ，也可以口q 做光束均匀器( b e a m h o m o g e n i z e r ) 。这种方法通过透镜阵列将入射光束分成很多小部分，然后将它们叠加在 工作平面上形成均匀分布。这种方法适用于空间相干性比较差的多模激光整形。通过设 计，可以得到几乎没有光能量损耗的整形。这种方法的原理由图2 7 表示。 囤td , l 一? = 乡夕芦 、l ；。+ 。一f 1 。“。“。- 一 幽2 - - 7 ：激光光束积分器法整形 下面介绍几种具体的实现方法。 1 几何光学整形方法1 3 0 - 3 7 i ： 几何光学整形方法属于光场制图法的一种，是通过反射或者折射器件划光束进行整 形的方法。在这类整形系统中，设计的基本原理包括：折、反射定律，光线追迹、能量 守恒原理，光程恒定条件等。干涉或衍射效应不在考虑范围内。 s h e a l y 等人将几何光学方法进行均匀化整形分为三种结构：单反射镜光柬整形系 统：如图2 8 所示的旋转对称结构，光束a 入射到反剩镜s 上，经过反射在探测源s 上得到均匀分布，主要的工作在于反射镜s 的设计。 浙江大学硕十论文 图2 - - 8 ：单反射镜激光束整形系统 双透镜光束整形系统，通过平凹和平凸两个透镜进行光束的均匀化，系统如图2 9 所示。 r 1 厶 躐 z l e n s l l “s2 图2 9 ：双透镜激光柬牾形系统 在这种系统中，往往需要将光束展宽，然后通过控制两片透镜的几何结构参数来达 到均匀整形的目的。双反射镜光束整形系统 3 43 9 】，可以做为单反射镜光束整形系统的进 一步延伸。通过两个反射镜，更好地校正入射激光束的均匀性。系统如图2 1 0 所示。 幽2 1 0 ：双反射镜整形系统图 2 计算机辅助设计全息光学整形方法1 4 0 i ： 这种方法通过计算机设计不同的全息图，将激光束进行多种整形；包括光束均匀化 以及其它特殊的光场分布。属于光场制图法的一种。这部分内容将在下一节光京祷；掰分 功中详细介绍。 3 n o e s ( n o n r o t a t i o n a l l ys y m m e t r i co p t i c a le l e m e n t s ) 整形方法： 第一章半导体激光光束控制 此种方法由德国夫朗和费( f r a u n h o f e r ) 研究所提出。属于光束积分器整形的一类。 n o e 指的是具有任意表面轮廓分布的金刚石旋转镜。对于给定的光束积分器，可以通 过统计光学的方法求出最佳的相干系数。根据由这些相干系数描述的随即过程，可以得 到n o e 相位调制镜统计的大致分布。此n o e 相位调制镜被加在光束积分器前，通过旋 转，统计的相位波动被转化为入射激光辐射，使入射激光的空间相干性降低，从而使出 射光束更加均匀；系统如图2 一】1 所示。图2 1 2 是c 0 2 激光光束整形效果，左、右两 图分别为无n o e 相位悯制镜和有相位调制镜的整形效果图。a ) 为在工作平面上的能量 分布，b ) 为利用a ) 所示的能量进行加工后，被加工表面的上视图。 a ) b ) 幽2 1 1 ：n o e 相位凋制镜光束整形系统图 w i t h o u tp h a s em o d u l a t i m lw i t hp h a s em o d u l a t i o n 图2 1 2 ：经过n o e 整形与无n o e 整形激光光束加r 面对比 4 f o u r i e r 变换整形方法1 4 2 - 4 4 i ： 这种方法主要基于光学f o u r i e r 变换巾入射与出射光束之间的关系。可以通过衍射 或折射器件实现。这部分内容可以参照参考文献4 2 - - 4 4 。 浙江大学烦l 论文 2 2 2 2 光束特殊分布 在半导体激光器的许多应用中，需要将激光器的能量形成特殊分布。如在激光印刷， 光学存储以及激光加工等领域，需要将激光器出射光束转换为光束线。在金属加工等领 域，需要将激光器出射光束转化为如卜字形、字母、星形、圆等特殊的分布。此领域里 主要分为两大类，一是激光光束线，二是十字形，字母等特殊分布。 1 均匀激光光束线1 4 5 - 5 0 l ： 均匀激光光束线的应用领域非常广，例如机械加工中的校准可以通过这种激光束来 完成。其优点在于：准直性好、对被加工表面无任何改变、特别适用于表面不平整的被 加工物等。再例如激光照排中可以利用激光光束线进行扫描。最初产生激光光束线的方 法是将激光束入射到一个多面镜上，通过多面镜的高速旋转，反射得到激光光束线。这 种方法的主要缺点在于旋转镜的结构复杂，成本相对较高。而且由于采用旋转结构，系 统的寿命短，体积也较大。并且，产生的激光光束线不是真实的光束线，而是通过扫描 得到的虚拟光束线。后来出现了利用半导体激光器做为光源产生激光光束线的办法。最 简单的方法是将一柱状透镜置于半导体激光器前校正其慢轴发散角，在远场产生激光光 束线。如图2 一1 3 ( a ) 所示。但是这种方法的主要缺点在于此远场的激光光束线的能量 分铂是不均匀的高斯型分布，如图2 一1 3 ( b ) 所示。 第二章半导体激光光束控制 “o n m t l 】z e t a “ 口m ( b ) 圈2 1 3 ：利用柱状微透镜产生半导体激光光束线系统及光束线分布 为了在远场得到均匀分布的激光光束线，出现了很多的方法，下面简要介绍几种代 表性的方法。 凹柱面反射镜与凸面反射镜组合光束线产生器【4 5 l ： 1 9 8 6 年由日本o z a k i 等人提出了凹柱面发射镜与凸面反射镜组合的方法。如图2 一 1 4 所示。 c l dc o n c a v ec y l i n d r i c a ll e n s 图2 1 4 ：一种半导体激光器均匀线产生器 这种方法首先让半导体激光器透过凹柱面反射镜中，t l , 的孔，投射到凸面镜上。然后 再经凸面镜反刺到凹柱面镜表面进行二次反射，从而在远场得到均匀分布的激光光束 线。这种方法的优点在于通过设计两反射镜的结构，可以在远场得到分布卜分均匀的激 光光束线；缺点在于反射镜制造和封装相对困难。 p o w e l l 透镜方法1 4 6 4 8 i ： p o w e l l 透镜是在1 9 8 7 年提出的一种通过特殊透镜改变激光束分布的方法。p o w e l l 透镜将光束中心光强比较大的部分以较大的发散角发散；而边缘光强弱的部分通过透镜 后的发散角比较小。这样就实现了在远场特定距离上，得到强度均匀分布的光束线。这 皇一；董j若 浙江大学硕= 【。论文 种方法有多种衍生结构，适用于不同的激光光束。图2 - - 1 5 为p o w e l l 透镜的工作示意图。 削2 1 5 ：p o w e l l 透镜工作原理 这种透镜解决了光束线不均匀的问题，并且结构紧凑，因此取得了很大的成功。一 段时间内被广泛地应用在各种领域。但是这种结构也有其局限性，一是p o w e l l 透镜要求 在透镜的中心部分加工成细小结构，以便发散中心光束，增大了加工的难度。另外，此 种结构需要入射光束为准直性好的激光光束，如h e n e 激光或准直后的半导体激光，增 加了系统的总成本。并且，由于不同部分光束的发散角不同，保证了一个工作的距离上 的光束线均匀，就无法保证其它工作距离上的光束线的均匀性，因此这种系统只能在固 定的工作面上投射出均匀的光束线。 透镜组方法吲： 2 0 0 2 年由美国c o h e r e n t 公司提出。c o h e r e n t 公司设计了一系列的均匀半导体激光光 束线产生器，分别针对单模、多模、阵列半导体激光器。主要通过非球面透镜组，对半 导体激光器的出射光场进行整形，达到产生均匀激光光束线的目的。此系统图如2 一】6 所示。图中x 方向为半导体激光的慢轴方向，y 方向为半导体激光的快轴方向。通过这 个三透镜系统，在工作1 z 面上，半导体激光出剿光束在慢轴方向上被聚焦为一点；而在 快轴方向上被扩展为线。通过这组透镜，可以将半导体激光出射光束整形为均匀性很好 的激光光束线。此系统最大的优点在于激光光束线的均匀性非常好；另外，使用了半导 体激光做为光源，利用了半导体激光器成本低、寿命长的优点。缺点在于系统相对比较 复杂，结构不够紧凑。 第二章半导体激光光束控制 l dl e n s1 c y l i n d r i c a ll e n s l e n s3 图2 一1 6 ：透镜组线产生器工作原理 光束积分器方法1 5 0 l ： 此方法在2 0 0 4 年由s i m o n t h i b a u l t 提出。如图2 1 7 所示。此方法首先通过准直整 形系统，将半导体激光器出射光束整形为一级光束线；然后通过衍射光学系统，将一级 激光光束线投射在远场形成有着均匀分布的二级激光光束线。其整形系统包括一非球面 透镜和一柱面透镜，起到准直和整形的作用。这种方法属于光束积分器的一种，通过衍 射器件，将级激光光束线分为多部分，然后再叠加在工作平面上。 这种方法的主要优点是光束线均匀性高、在远场的工作距离也比较灵活，在一定范 围内，二级激光光束线的均匀性都比较好。缺点在于系统比较复杂、衍射器件带来的光 损耗