半导体二极管激光器光学剖析

1、第!卷！第#期 $%年 $月 !#$%* $ *370#-03: *0!9 2 60+:-03: #!#20+ !*9:+ 7*8;2 0 .0$#?2 E F+ ;i Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 第!卷！第#期 $%年$月 !#$%!在图$上方一行的图 08!像散距离7定 义在自由空间中水平束腰和垂直 束腰之间的等价距离8 是#! 1 *%!5 !沿 轴轻微展宽光束！相位 波前发散！其峰？谷变化7即束的边 缘到中心8是*$%!在底行图 7. !5光束进一 步在水平方向加宽7

2、比无像散时8! 相位分布显示峰？谷变化*2%! 在激光器向前方发射的光束！ 呈椭圆截面是合理的7由于衍射8! 对于“远小于的情况在激光 激活区内产生像散是由于非均匀 增益剖面7沿“轴8的原故“由于 靠 近腔的光轴增益最高！光辐射在腔 中沿！轴传输时！光束向光腔轴产 生(增益聚焦)效应!结果是沿腔轴 比两侧有更强的放大B*C*因而!对应 光束向中心塌陷的趋势！发散相位 剖面自动形成*关于这个性质！下 面会详述* 另一个感兴趣的二极管激光 束性质是它的偏振典型的是线 偏振!其电场平行于结平面这个 性质反映这样的事卖寸于平行于 结的偏振菟即#!8!其增益多少 要 比垂直偏振光下文的#8高* 与 #相

3、关的导向模在$方向要比与 曲相关的模略为加宽因为加宽模 比紧凑模与增益介质层交叠得少 所以当紧凑模超过阈值并开始产 生激光时加宽模还未达到而且！ 限制电子和空穴在薄激活7层量子 阱8!对#7相对于#8更易使激 发 电子和空穴释放出光子并返回基 态实际上#偏振超过# !是两种 效应组合的结果* 图# $%75所示的！其 在激活区中心的相位下降到！)0!2 相 应于#96)!#05相位从这个极小值 起沿！轴以高斯型增加！在激活层 的高吸收区达到8)*#!这导致沿！ 轴反向导向2由于在激活层内折射 率不均匀5在激活层内的高斯相 位 剖面迫使激光束沿 ！轴发散！超过 仅由增益剖面产生的发散 #$ %/

4、5所示的 振幅?相位掩模用传输方法的模 拟 结果!确认仅由增益剖面引起的 -./) $%! 像散然后给岀用图675所 示的振幅？相位掩模$得到的模 拟结 果!揭示折射率反向导向(的增 益介质7由粒子数反转引起5可能 进一步增加感应像散) 图！上方一行的图表示用掩 模在光束传输方法8%步后的 75强度!7/5强度的对数和7;5相位 图形每步对应在折射率#%96)6的 介质内传输%)!的距离!在本模拟 中总传输距离是 A!B看到的限 制在导向层中的光！仅以微小的分 数值泄漏7即逐渐消失5到基底和 盖 板中“逸岀导向层的光最终以散射 或衍射损失到系统外“在图!7;5 中！沿！轴的峰？谷相位变化为 *

5、8%!相应于几个微米的像散发散 光束图！下方一行的图与上方一 行的类似！不同的是用掩模$得到 的“与增益介质无折射率反向导向 情况下比！光束沿！轴略有加宽 图！ 7C5中峰？谷相位变化是*:0! 7沿！轴5+对应着比图!7;5情况有 更大像散的发散束 图!7D5表示在上述模拟中得 到的光束功率与传输距离$的关 系开始光功率下降！因为初始光 束 对波导结构进行自身调整 ！挡掉 了 与波导模剖面不匹配的光然后增 益介质起作用！光功率指数上 图2在1-步光束传输方法后的(左面 给岀在 位于 %):#$准直透镜岀射光瞳后面 *%77平面上的强度1上图 和相位 该透镜位于距激光束两光腰之间的 中点 %3

6、!)477 处!显示的相位 花样 分别对应于像散 ?$的梯度折 射率材料制成透镜的净孔径! 3 0)%77 !3)$77 激光器前表面 与该透镜第一表面之间的距离是 %)9!577 用折射率(3):0均匀玻 璃制成的平面 柱面第二个透镜与 第一透镜相距%)94877其厚度；沿 光轴方向 是 9)$77!长 077!曲率 半径977!净孔径)077透镜表 面皆涂消反射膜“ 图5表示在图8平面 柱面透 镜后%)977处的观察平面上计算的 强度和相位图形“透镜对捕获的光功 率约5%A!在观察平面上的均方根波 前像差为B%)4!同样的透镜对1 轻微调整两镜间的距离!在 目前激光束像散情况！可用于准直

7、而不引起波前质量任何退化 在光束准直前通过沿光束的 慢轴传播！则柱透镜对能够调节束 截面的椭圆度当然！第二透镜需 要的物理参量与希望的准直束的短 轴和长轴比有关！但是！原则上任 何椭圆度都能达到“这样!柱面透 镜对不仅能将二极管激光器的发散 光束准直！而且还能使光束截面整 形1特别是成圆形 #渐变放大和光束压缩 图4表示经渐变棱镜沿！轴扩 展光束后！用无像差透镜使二极管 激光束准直这种准直的渐变放大 光束接着用无像差透镜聚焦！其效 $, hup:/ki.nei 垃 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All

8、 riglus reserved. 第!卷！第#期!轴$%!6光束的准直和渐变放大 工作如前述!但是从准直镜岀射的 光束与#轴倾斜约$8!棱镜对沿 !轴将光束放大=9)9倍!同时也将 光束的倾斜减小相同倍数净结果 是把激光器前表面的亮椭圆斑点 像！除了尺寸被压缩之外还使它 更靠近光轴!3?8):!6这是一个 很重要的结果例如!可用于非相 干激光束的压缩典型的高功率多 横模二极管激光可能有如上述卩 7!89!相同的发散角但是!在前 表面上的亮斑很大比如！= 9%!6$这样!激光的辐射剖面可认 为是由大量互相不相干的光丝构 成!每个都类似于二极管激光器的 相干光束即单横模因此如果非 相干激光中心的

9、光丝与描述 的相干光束全同则图就代表 边缘的光丝用图2的系统能这样 师 表 两 汉 诸 葛 亮 先 帝 创 业 未 半 而 中 道 *-L_r 朋 殂 今 天 下 分 州 疲 弊 此 诚 危 急 存 亡 之 秋 也 然 侍 卫 之 臣 不 懈 于 内 忠 志 之 士 身 于 外 者 盖 追 先 帝 之 殊 遇 5 欲 报 之 于 陛 下 也 O 诚 宜 开 张 圣 听 以 光 先 帝 遗 德 恢 弘 志 士 之 气 不 宜 妄 自 菲 薄 引 喻 失 义 以 塞 忠 谏 之 路 也 宫 中 府 中 俱 为 体 5 陟 罚 臧 否 不 宜 异 同 O 若 有 作 奸 犯 科 及 为 忠 善 者

10、宜 付 有 司 论 其 刑 赏 以 昭 陛 下 平 明 之 理 5 不 宜 偏 私 使 内 侍 中 、 侍 郎 郭 攸 之 、 费 祎 、 董 允 等 此 皆 良 实 帝 简 拔 以 遗 陛 下 愚 以 为 宫 中 之 事 事 无 大 小 悉 以 咨 之 然 后 施 行 必 能 裨 补 阙 漏 有 所 广 、人 将 军 向 宠 性 行 淑 均 晓 畅 军 事 试 用 于 昔 日 先 帝 称 之 是 以 众 议 举 宠 为 督 愚 以 为 营 中 之 事 悉 以 咨 之 必 能 使 行 阵 和 睦 优 劣 得 亲 贤 臣 远 小 人 此 先 汉 所 以 兴 隆 也 5 亲 小 人 远 贤 臣 此

11、 后 汉 所 以 倾 颓 先 帝 在 时 每 与 臣 论 此 事 未 尝 不 叹 息 痛 恨 于 桓 、 灵 也 O 侍 中 、 尚 书 、 长 史 参 军 此 悉 贞 良 死 节 之 臣 愿 陛 下 亲 之 、 信 之 则 汉 室 之 隆 可 计 日 而 待 也 臣 本 布 衣 躬 耕 于 南 阳 苟 全 性 命 于 乱 世 不 求 闻 达 于 诸 侯 O 先 帝 不 以 臣 卑 鄙 猥 自 枉 屈 顾 臣 于 草 庐 之 中 咨 臣 以 当 世 之 事 由 是 感 激 遂 许 先 帝 以 驱 驰 值 倾 覆 受 任 于 败 军 之 际 奉 命 于 危 难 之 间 尔 来 十 有 年 矣 先 帝 知 臣 谨 故 临 *-L_r 朋 寄 臣 以 大 事 也 O 受 命 以 来 夙 夜 忧 叹 恐 托 付 不 效 以 伤 先 帝 之 明 5 五 月 渡 泸 深 入 不 毛 O 今 南 方 已 疋 兵 甲 已 足 当 奖 率 军 北 疋 中 原 庶 竭 驽 钝 攘 除 奸 凶 兴 复 汉 室 还 于 旧 都 O 此 臣 所 以 报 先 帝 而 忠 陛 下 之 职 分 也 O 至 于 斟 酌 进 尽 忠 言_