0 引言
大面积半导体激光器阵列(Laser Diode Array,LDA)已经广泛应用于一些大功率行波放大结构中[1-2]。在这些结构中,由于单bar条功率和封装结构的限制,而使得总的发光面积大大超过了工作物质的截面积,这使得对于半导体激光器阵列的缩束整形技术变得十分重要。而导光管(Duct)作为一种较好的耦合器件,具有以下几个优点[3]:(1)耦合效
率高,可以达到90%以上;(2)出射光的光斑面积和发散角度可以较好地控制,以保证增益;(3)避免了光的会聚点所导致的严重热损伤;(4)结构简单,便于制作,成本较低。
本文对发光面积约40 mm×40 mm的25 kW半导体激光器泵浦阵列的耦合技术进行了介绍,阐述了用导光管进行大面积半导体激光器阵列耦合的方法,以及其结构参数的优化选取。
1 大面积半导体激光器阵列导光管整形原理
用于半导体激光器阵列整形的空心导光管耦合结构如图1所示。其中最左侧激光器阵列发出的光全部进入到Duct当中,通过在其内壁的多次反射后,从较小的出口出射到工作物质上。Duct的主要参数为出入口大小,长度和侧壁反射率。考虑到实际的工艺问题和制作过程,选用了在石英玻璃上镀银后镀氧化铝保护膜的这种高反射率的基板,可以保证其全角度反射率达到98%以上[4-5]。在将四片这样的梯形反射镜进行粘结后,可以得到如图1中Duct的类似结构。
如果从Duct入口向出口观察,可以看到一个由多个小平面“拼凑”形成的椭球面,实际的观察情况如图2所示。实际上,这个椭球面是由于Duct侧壁按照平面镜反射等效展开时,出口不断的扩展叠加所形成的。在展开形成这一椭球面的同时,Duct的入口也会形成一个更大的椭球面,其示意图如图3所示。
而当半导体激光器阵列发出的光经过Duct时,所发出的一条光线在发生反射时,就相当于一条贯穿展开结构的射线,如图3中OM和等价光线ON所示。对于从Duct出口射出的光线,一定经过Duct本身的出口或者某个旁边的等效出口,并且穿越侧壁面族的次数就是光线在Duct内部反射的次数。如果等价射线不能经过某个出口,而是从图中的出口等效反射面S1构成的球面外侧射出,则表示光线在Duct中经过多次反射后从Duct的入口回射出去。同样的原理,从LD点发出的光束按照空间发散角α进行传播,在达到出口时,会形成按高斯分布的一个面积范围,如果有部分从S1外射出,则在计算出射功率时,这一部分就需要忽略。如果定义γ为发光点与Duct出口圆的切线夹角,则半导体激光器阵列中的发光点可以分为三类：第一类表示发出的光全部被出口圆所遮挡,其范围为γ>α/2,效率η=1。第二类表示部分被遮挡,其范围为-α/2<γ<α/2,在这部分中每个点的效率为
其中,S和s分别表示一个激光器在出口球面位置展开形成的光斑和被出口球面遮挡的光斑。第三类表示完全没有被遮挡,其边界为γ<-α/2,效率η=0。通过考虑LDA中各个发光点能否完全被Duct出口等效展开球所遮挡住就可以确定Duct的反射效率和出射效率。
2 Duct的结构参数的优化
对于Duct的主要结构参数来说,入口面积一般选取略大于阵列的实际面积,这样可以保证半导体激光器阵列发出的光全部被收入Duct中。而Duct出口面积将决定泵浦能量总值和泵浦能量密度,在经过对工作物质钕玻璃的计算后,也可以确定其出口面积。在Duct的出入口大小确定后,Duct的长度将在很大的程度上影响耦合效率。由上面分析可知,Duct的效率增加随着长度增加而逐步减小,而侧壁的等效反射次数又是随着Duct长度的增加而逐步增加,结合实际情况中Duct侧壁反射率在98%左右,因此Duct的长度必然存在一个最优化点。通过对不同长度的Duct进行计算,可以得到图4的结果。所反映的是入口大小从60×60到20×20的5组不同入口大小的Duct的效率和长度之间的关系。其中纵坐标为Duct的效率,横坐标为Duct的长度。在追迹过程中,选择的阵列面积与Duct入口一致,而且不考虑阵列的间隙。其中Duct效率为:1减去Duct反射率,再减去侧壁等效反射次数与侧壁反射损耗的乘积。
通过图4我们可以看到,不同入口大小的Duct的最高效率点对应的优化长度并不一致。对于入口较小的Duct,其最优化长度较短,而总的反射效率也更高。由于较长的Duct在侧壁上反射次数过多,使得Duct长度在超过最高效率点后,效率按照不同的侧壁反射值而呈不同速率下降。因此在实际的设计Duct过程中,Duct的入口选择不宜过大,这是因为大口的Duct需要更长的长度来保证其效率。而同时由于侧壁反射损耗的存在,较长Duct的效率也不会变高。通过上图所示可知,对于入口大小为42mm×42 mm的Duct,其长度最优化点在120 mm左右。
3 Duct的光线追迹模拟
追迹过程使用的是ZEMAX软件,模拟过程中选取了按照二维高斯分布特性发光的半导体激光二极管光模型,对于每个LD点光源,采用
来表征其光场的空间分布[2]。其中αx和αy为LD的水平和垂直发散角,分别取FWHM角度10°和40°;θx和θy为空间角度的水平和垂直分量。模拟的半导体激光器阵列结构选取为发光点横向间隔0.17 mm;纵向间隔0.8 mm,对于整个阵列共追迹了2×106条光线。分析时认为每条光线表征相同的光功率,在探测面上光强分布与光线数量就呈现
相同的分布特性。通过计算光线的条数,就可以得到等效的光强,从而计算出Duct的效率和反射次数等参量。经过模拟可以得到Duct出口、出口后5mm、10 mm和接近出口部分侧壁的光斑分别如图5中(a)、(b)、(c)、(d)所示。
由上述模拟可知,光在经过Duct整形后光斑面积从入口的40 mm×40 mm缩小到10 mm×10mm,且效率达到90%以上。光斑在出口处比较均匀,但经过一定的距离传输后发生了劣化,出现了光斑散开、水平和垂直方向不一致的问题。
4 结论
对于大面积半导体激光器阵列出射光的整形来说,Duct具有良好的效率和简洁的结构,并且能够很好地将光束会聚成所需要的形状,是一种良好的耦合缩束整形器件[6]。同时,对于一个使用Duct进行光束整形的大面积半导体激光器阵列泵浦系统来说,通过优化大面积半导体激光器阵列结构来优化出射光斑特性才可以实现泵浦光与信号光的匹配,进而提高泵浦效率[7],而且这一部分的工作具有重要的意义。
参考文献:
[1] Yamaguchi S, Kobayashi T, Saito Y,et a1. EfficientNd∶YAG laser end pumped by a high-power multi-stripe Laser diode bar with multi-prism arraycoupling[J]. Appl.Opt., 1996, 38(9): 1430-1435.
[2] Beach R J, Benett W J. Lensing Duct[P]. UNItedStates Patent: USO05307430A, 1994.
[3]郜洪云,傅汝廉,陈德胜,等. LDA端抽运固体激光器的耦合系统―空心导管的设计[J].光电子·激光,2005,16(5): 419-423.
[4] Sudesh V. Mitchell room-temperature Tm, HO∶LuLiF4laser with a novel quasi-end-pumpingtechnique[J]. Appl.Opt., 2001, 26: 1675-1677.
[5] Beach R J. Hollow lensing Duct[P]. United StatesPatent: USO06160934A, 2000.
[6]贾 伟,胡永明,李明中,等.空心透镜导管的模拟与设计[J].中国激光, 2004, 31(8): 939-942.
[7]张 彪,陈 檬,李 港.面阵半导体激光器的耦合理论设计[J].激光技术,2005, 29(4): 433-436.
