0 引言
半导体激光器由于其效率高、体积小、重量轻等优势[1-2],被广泛地应用于光通信、固体激光器泵浦[3]、医疗激光工业加工、激光显示、扫描等领域。在这些应用中,有时需要采用光纤输出,有时需要圆形光斑,有时需要得到线形光斑,针对各种不同的要求,需要对LD输出光束进行必要的光束整形[4-7]。此外,半导体激光器受制于其外延结构特性,平行和垂直于pn结方向的光束质量相差较大,远场呈现椭圆光斑形状,无法直接使用,也必须进行光束整形。本文通过采用高斯光束ABCD传输矩阵理论,研究了利用平面自聚焦透镜、球面自聚焦透镜和圆柱透镜对LD单管进行准直的效果,通过计算可以方便地找到LD出光面与透镜之间的最佳距离,并对各种透镜下的光斑传输情况进行了实验观察和验证。最后采用自聚焦透镜对LD进行光束整形,使快轴得到了近平行光输出,将LD输出的椭圆形光斑为了线形光斑,与传统圆技术专栏 柱光纤压缩方式相比可以获得更好的准直效果[5],同时由于自聚焦自身的特性,可以使慢轴发散角显著地减小。
1 高斯光束的性质
用高斯模型来描述LD发射的光束,在其光束可以表示为
式中:下标1, 2表示光束处于的不同的空间位置;对于ω1,用ω1x、ω1y分别表示垂直和平行于pn结面的光斑尺寸;对R1,用R1x、R1y分别表示光束在输出面上的垂直和平行于pn结面两个方向上的曲率半径;λ0是光在自由空间的波长。当光束传输一段距离后,可以表示为
式中:ω2x、ω2y分别表示垂直和平行于pn结面的光斑尺寸;R2x、R2y是光束在输出面的曲率半径;k2=2πn2/λ0是光束在媒介中的波数。
利用傍轴近似,可以应用q参数描述,用q1、q2分别表示平面1和平面2的q参数,q参数与光斑面积ω以及光束的曲率R之间的关系可表示为
将光束所经历的光学系统用ABCD矩阵描述,则q1、q2之间具有简单的关系
2 自聚焦透镜
自聚焦透镜的折射率分布一般可以表述为
n2(r)=n20(1-ar2)(5)
式中,n0为透镜轴线的折射率。对于两端都是平面的自聚焦透镜的ABCD矩阵在近轴近似下,可以表述为[8-9]
式中,z为自聚焦透镜的长度,a为聚焦常数对于一端有球面的自聚焦透镜,其球面的传输矩阵可以表示为
式中R为球面镜的曲率半径。经过一段距离d的矩阵可以表示为
所以经过一端距离d的光束,经过普通自聚焦传输矩阵可以表示为
而经过一端距离d的光束,然后进入头部有球面的自聚焦传输的矩阵可以表示为
由于不同的z对应着不同的传输矩阵,所以可以通过不同的传输矩阵,计算出传输一段距离后对应的复传播系数q2,再通过分离q2的实部虚部,得到对应的光斑大小。
3 实验过程及结果讨论
在实验中选取的自聚焦透镜均为上海澳普公司的产品,规格及其技术参数如表1所示。表中:z为透镜长度;n为中心折射率; a为折射率梯度;R为曲率半径。
利用公式(10)、(12)、(13)、(14)可以计算得到在折射率梯度不变时,聚焦距离(d)与透镜长度(z)的关系以及在聚焦透镜长度不变时,d与折射率梯度(a)的关系,如图1、2所示。可以看到透镜长度和折射率梯度的增加,聚焦距离会变小,在实验过程中如果聚焦距离过小就意味着需要透镜与LD的端面很贴近,组装时容易对其腔面镀膜造成损伤,同时由于距离太近,对单管器件的封装质量要求较高,否则装配时容易出现误差,影响光学压缩效果;在透镜长度不变时,d与a的关系,可以看到随着折射率梯度的增加,最佳聚焦距离会减小;考虑到以上的因素,所以选择0·23 p和0·22 p两种规格的透镜进行实验研究。
同时利用公式(10)、(12)、(13)、(14)可以得到各个透镜所对应的最佳距离(见表2)。表2 不同规格透镜对应的最佳距离(d′)
实验中选用的LD单管,设计功率为1 W,波长为800 nm,远场发散角快轴为35°,慢轴为6·5°。先将LD单管固从TO管壳上取下,将固定管芯的热沉固定在调整架的一端。将自聚焦透镜六轴调整架固定,调节调整架(卓立汉光,读数精度为0·01 mm),让透镜与LD端面平行,然后调节LD与自聚焦透镜之间的距离d使之满足准直条件,用紫外胶将两者固定,制作出可以独立使用的器件。搭建的实验系统如图3所示。当选取0·22 p,头部带有球面的自聚焦透镜时,在最佳距离d′下,距离后端面90 cm处的光斑情况。经测量,其快慢轴的远场发散角分别为:快轴0·2°,慢轴为5·5°。
选取0·23 p的自聚焦透镜,调节透镜与LD的距离,在不同的距离d下测量远场光斑的情况。发现在d=0·2 mm时,光斑的聚焦效果最好。图4为不同d所对应的光斑效果图,屏幕距离自聚焦后端面距离为90 cm。
经测量,在最佳准直效果下,其快慢轴的远场发散角分别为:快轴发散角为0·1°,慢轴发散角2·5°,显然效果好于头部有球面的0·22 p的透镜的压缩效果,所以针对0·23 p的透镜做进一步的研究,见图5。两种透镜在d小于最佳距离时都出现了衍射现象,出现了条状光斑。
为验证找到最适合的聚焦距离d,应用刀口法测试了不同距离d下的远场光斑的尺寸。由于对应不同距离d,通过测量d下对应的远场光斑大小来确定透镜的压缩效果。同时做了与芯径为400μm和125μm光纤压缩激光管光斑比较,见图6。
经测量,使用光纤压缩时的快轴远场发散角最小为0·3°,慢轴为6·8°,慢轴的发散角扩大主要因为光纤的衍射作用造成。
4 结果分析
由实拍的照片可以看到,在传播距离不满足条件时,光斑均出现了发散的现象,中心的亮斑面积显著扩大,发散角也随之增加。使用光纤压缩和自聚焦压缩的情况对比:从实验结果看出,使用自聚焦透镜时,光斑质量好于使用光纤压缩的情况。在快轴方向上,两端泄露的光明显小于使用光纤压缩的情况,能量也更加集中。使用自聚焦透镜时快轴发散角为0·1°,使用光纤时为0·3°。在慢轴方向上,使用自聚焦时,慢轴两端的杂散光斑也小于使用光纤压缩的情况。主要原因是使用光纤压缩时,在慢轴方向对LD光束完全没有限制,反而因为光纤的折射反射等作用使光束在慢轴方向有所展宽。使用光纤压缩时,快轴中心方向两侧的光带形成的主要原因:一个是光纤边缘的衍射作用,二是因为有分发散角很大的光没经过光纤造成的。而使用自聚焦透镜时,因为其折射率的梯度分布而消除和改善了以上情况。两者的整形效率分别为,光纤80%,聚焦透镜86%。
使用头部有球形透镜的自聚焦透镜时,所得光斑的慢轴远场发散角大于使用没有球面镜的无球面自聚焦透镜,使用头部有球面自聚焦透镜时慢轴发散角在5°左右,远大于使用无球面透镜时的发散角2·5°左右,仅为前者一半。
5 结论
针对LD单管的快轴远场准直,适宜使用0·23 p的普通自聚焦透镜,在能提供很小的快轴发散角的同时还能使慢轴方向的发散角有效减小。使用此种透镜进行LD的准直效果要远好于传统的光纤压缩方式。制作好的器件的外形,见图7。
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(收稿日期:2008-10-14)
作者简介:
吴凡(1983—),男,湖北武汉人,硕士研究生,主要从事大功率激光器光束整形的研究;
马骁宇(1966—),男,吉林延吉人,博士生导师,主要从事材料生长、大功率激光二极管列阵及其组件的研究。
