半导体激光器的微柱透镜准直方法研究

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)

0 引言

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。

1 基本原理

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。

2 理论模拟

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。

2.1 半导体激光器发光面与透镜焦点重合

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

2.2 半导体激光器发光面与透镜的距离偏差

(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

2.3 半导体激光器与柱透镜的高度偏差

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

3 结语

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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