李 婕,徐 莉
(长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室,长春 130022)
半导体激光器具有体积小、功耗低、重量轻、寿命长、价格低廉以及光电转换效率高等独特优势,在医疗卫生、国防安全、材料加工、电子技术、信息传输和生命科学等领域获得了广泛应用。
半导体激光器一般采用量子阱结构,其有源层的厚度(0.1微米左右)和宽度(数十至百微米)差别很大,激射光束通过有源层截面狭缝时发生衍射,造成光束在有源层垂直方向和水平方向的发散程度不同,光束远场的光斑呈椭圆状,平行方向的发散角θ//大于8°,而垂直方向的发散角θ⊥大于35°。半导体激光器输出光束的不对称性,在很大程度上限制了应用。因此,开展光束准直方法研究,探索获得半导体激光器准直光束的方法,对激光器的实际应用进行理论指导,具有重要现实意义。
本文围绕半导体激光器的快轴光束准直开展研究,首先设计出柱透镜法进行快轴准直的原理图,然后采用Zemax光学软件建立快轴准直模型,并探讨了位置偏差和高度偏差对准直效果的影响。研究结果对半导体激光器快轴准直实验的装调工艺有指导意义。
建立半导体激光器快轴准直模型,常见的快轴准直方法有柱透镜法、非球面柱透镜法和自聚焦透镜法等,文中对柱透镜准直方法进行研究。设计发光波长808nm的半导体激光器(LD),设定其发光面积为100μm×1μm,设定快轴发散角θ⊥为40°、慢轴发散角θ//为10°,采用直径为200μm石英柱透镜作为准直透镜,其折射率 n=1.61。
快轴准直方法系统结构原理如图1所示,图中柱透镜可进行三维调节以实现最佳准直效果。使用zemax光学设计软件建立柱透镜准直模型,由近轴近似关系可得到,柱透镜的焦距f与半径r的关系如下:
其中n为柱透镜折射率。
根据成像关系:
图1 柱透镜三维调节图
其中 l、l'、f分别为物距、像距和焦距。
在柱透镜法快轴准直系统中,柱透镜的摆放位置和偏转角度都可能会影响准直效果,本文主要围绕柱透镜的摆放位置开展理论模拟研究,探索位置对准直效果的影响。
在zemax建立的直径200μm柱透镜准直808nmLD光束系统中,首先对存在的几种误差情况进行分析。
LD的发光面位于透镜的焦距,即当l=f时,l'=∞,此时的发散角为0°(理想状态下)。
此时系统的光路和光斑形状等如图2所示,图2a为在芯径200μm柱透镜处于808nmLD发光面前l=f=131.96μm处的情况,其光线追迹图表明激光器的光束获得了较好的准直;图2b和图2c分别为在相同条件下1mm处得到的远场光斑点列图和能量分布图。点列图和能量分布图表明,这种条件下的准直效果非常理想,光束的能量分布非常均匀。然而,由于半导体激光器的出射光束不可能是理想状态,在实际应用中也就不可能实现这种状态。
图2 柱透镜位于LD发光面前l=f时光线图
(1)若激光器的发光面不在透镜的焦点处,即当l≠f时,由式(2)可得:
这里l-f称为离焦偏差。
当l-f>0时,l'>0,光束为会聚光束。此时的光线轨迹如图3所示,图3a为柱透镜处于808nmLD发光面前l>f(131.96μm)处的时,zemax模拟得到的三维光线追迹图,图3b和图3c为在相同条件下1mm处得到的远场光斑点列图和能量分布图。
此时准直光束得到了较大程度的压缩,若离焦偏差的值趋近于零,则输出光束同样可以达到理想的准直效果,但随着离焦偏差增大会出现准直过度,发散角度会逐渐增大,从能量分布可以看出光斑能量逐渐向光斑的上下两极发散,这会严重影响准直效果及能量分布。
图3 柱透镜处于LD发光面前l>f处的光线轨迹图
当 l-f<0时,l'<0,光束为发散光束。
此时的光线轨迹如图4所示,图4a为在柱透镜置于LD发光面前l<f(131.96μm)处的条件下,模拟的三维光线追迹图,图4b和4c为在相同条件下1mm处得到的远场光斑点列图和能量分布图。从图4中可以看出,离焦偏差的值趋近于零,则输出光束同样可以达到理想的准直效果,但是随着离焦偏差负数值的不断减小,会出现准直不足的状况,光束依然是发散的,这种发散角压缩不够将直接导致光束能量分布分散。由实际远场光斑图可知,此时的光斑为弥散光斑,光束质量依然较差。
图4 柱透镜处于LD发光面前l<f处的光线轨迹图
所谓高度偏差是指LD激光出射面与柱透镜轴线的垂直距离Δy,可等效为物高-y,其物象公式为:
式中y',θ分别为像高和像与光轴的倾角。
当y=0时,LD出光面与柱透镜在光轴上重合,此时不存在像高和倾角;
当y≠0时,水平输出光路将会发生变化,相应的成像方向也会随之改变。
此时的光线轨迹如图5所示,图5a为在柱透镜处于LD发光面前距离l=f=131.96μm时,LD与柱透镜之间存在Δy=10μm垂直偏差时,绘成的三维光线追迹图,图5b和图5c分别为在该状态下在1mm处得到的远场光斑点列图和能量分布图。从途中可以看出,经透镜准直后出射的光束光斑存在彗差,对准直效果影响很大,同时,快轴方向的光参数积也会随之增大。
图5 LD与柱透镜存在10μm高度偏差时准直模拟图样
开展了半导体激光器的微柱透镜法快轴光束准直研究,采用Zemax软件建立了LD微柱透镜准直模型,模拟了准直系统中柱透镜存在位置偏差和高度偏差时,激光束的形状和能量分布特性。对于位置偏差,激光器和柱透镜间距离大于焦距时光束发生会聚;而距离小于焦距时光束发生扩散。对于高度偏差,其存在会导致经透镜准直后出射的光束光斑存在彗差。因此,在激光器的装调工艺中应尽量避免出现位置偏差和高度偏差,以实现最佳的准直效果。
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