半导体激光传输与变换特性分析.docx

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半导体激光传输与变换特性分析

半导体激光传输与变换特性分析

目录

一、半导体激光器的应用1

二、半导体激光传输特性1

1.远场发散角与聚焦光斑尺寸2

2.M平方因子3

三、半导体激光变换特性3

1.输出激光的准直4

（1）、一维梯度折射率微透镜4

（2）、光纤柱透镜5

2.半导体激光的光束对称化6

（1）、光纤束法7

（2）、阶梯镜法7

（3）、平行平面镜法8

（4）、微片棱镜堆叠法8

3.利用扭转柱面透镜系统实现半导体激光光束的对称化与其他调制9

摘要：

半导体激光器产生激光的机理，即必须建立特定激光能态间的粒子数反转，并有合适的光学谐振腔。

由于半导体材料物质结构的特异性和其中电子运动的特殊性，一方面产生激光的具体过程有许多特殊之处，另一方面所产生的激光光束也有独特的优势，使其在社会各方面广泛应用。

从同质结到异质结，从信息型到功率型，激光的优越性也愈发明显，光谱范围宽，相干性增强，是半导体激光器开启了激光应用发展的新纪元。

一、半导体激光器的应用

半导体激光器，也叫激光二极管，是成熟较早、进展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广，已超过300种。

目前由于半导体激光器主要用于在激光测距、激光雷达、激光光纤通信、激光模拟武器、激光武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存贮、光计算机外部设备等广泛的用途上，因此半导体激光器输出的激光其性质必须要熟悉和掌握。

半导体激光的传输特性和变换特性分别对应着激光光传输与光处理这两个重要的应用，而目前几乎所有使用半导体激光器的光器件有会包含光传输和光处理这两个对激光最基本的应用。

二、半导体激光传输特性

1.远场发散角与聚焦光斑尺寸

远场发散角是指激光光传输足够远时，必须是传输距离远超过激光器尺寸时激光光束边缘偏离中心方向的夹角。

既是理想的激光束没有受到其他因素影响而偏折，也会不可避免的受到衍射效应影响而产生远场发散角。

在半导体激光器中，人们总是希望光束在空间的分布是理想的圆形，这样可以方便的用普通透镜汇聚成一个较小的点，也便于与圆形截面光纤进行高效率耦合。

由于半导体激光器的辐射强厚度已经接近与激光波长，因此出光口相当于一个狭缝，使光束受到衍射并发散。

垂直结平面发散角可以达到30~40度，平行于结平面发散角可以达到10~20度。

这使得激光的强度分布也不是一个标准的圆形，难以聚焦，也就是聚焦光斑尺寸较大。

这里所提到的聚焦光斑尺寸这一概念中的光斑通常包含激光86.5%的能量。

由于激光大部分的光束空间分布都成高斯光束的情况，因此根据激光原理的描述，高斯光束的腰斑半径（也就是聚焦光斑尺寸）和远场发散角是一个矛盾的关系。

远场发散角使用望远镜系统减小，也就是对高斯光束进行准直，会导致腰斑半径增大；腰斑半径使用类似显微镜聚焦又会使远场发散角增大。

2.M平方因子

由于上述的远场发散角和光斑聚焦尺寸难以平衡，同时又能相互弥补和转换，所以这里用一个综合的标准来衡量激光束的空间质量：

M平方因子。

M平方因子的意思是光束衍射倍率，它的定义是：

（实际光束的腰斑半径与远场发散角的乘积）/（基模高斯光束的腰斑半径与远场发散角的乘积）。

理想的激光产生的理想的高斯光束M平方因子应等于1，但是因为各种条件有限，通常的激光它的M平方因子都大于1。

M平方因子这一概念主要是考虑到腰斑半径（也就是聚焦光斑尺寸）和远场发散角可以相互此消彼长，但是它们的乘积又是一定的，等于波长/π。

在开始的比较差的技术下生产的增益导引半导体激光器远场发散角还是很大的，有的达到几十度。

后来采用折射率导引半导体激光器技术改进后，远场发散角下降到10度以内，出射光斑也近似的成了圆形，这主要得益于折射率导引激光器在半导体材料内部的侧向限制机制限制了它的侧模。

三、半导体激光变换特性

1.输出激光的准直

由于半导体激光的激光束相对于其他的发散角很大，因此在应用时首先要进行光束的快轴准直，目前的方法是把微透镜放置在半导体激光器发光面前一定的位置，来达到压缩光束发散角的目的。

常用的微透镜包括一维梯度折射率微透镜、光纤微透镜、非球面微柱面透镜等。

（1）、一维梯度折射率微透镜

如上图所示，透镜中心和边缘折射率的差异通过离子交换实现。

我们可以假设透镜是由无数层折射率分别为0n，1n，2n…．dn…．薄片构成，光线进入透镜之后，在两层薄片的交界面上发生折射，，折射角为0β，1β，2β…．dβ…．，满足折射定律，由于透镜的折射率连续变化，所以光线在透镜中传播的轨迹为一条平滑的曲线。

0α，1α，2α…．dα…．为0β，1β，2β…．dβ…的余角。

可以看出透镜长度为四分之一节距的梯度折射率透镜，可以作为准直透镜使用，把半导体激光器列阵输出的发散光束准直。

由于衍射的原因，输出光束不是完全的平行光束，输出光束的发散角与衍射极限、透镜与发光面之间的相对位置以及透镜质量有关

（2）、光纤柱透镜

光纤柱透镜是一段去掉涂敷层的光纤，透镜的不同位置具有相同的折射率，如左图所示。

可以看出光纤柱透镜的物方主面和像方主面重合位于透镜中心位置，石英材料具有较大的折射率（ｎ＝１．８３），对发射光源具有较大的汇集能力（光纤芯与结线平行），计算可得石英光纤柱透镜的焦距。

因此将石英光纤芯贴装在相对半导体激光器发射表面的适当距离处可以大大压缩垂直于结平面方向上的光束发散角，实现半导体激光器输出光束的准直。

（3）、非球面微柱面透镜

非球面微柱透镜的几何形状如上图所示，透镜的横截面为平凸型，凸面为非球面，有效地减少了透镜的球差（对于半导体激光器阵列准直，球差影响最大）。

在理想情况下，非球面微柱面透镜的球差为零，这时不考虑其它像差影响，透镜对于近轴光束和大发散角光束的作用相同。

因此可以近似地用透镜的近轴参数代表透镜的参数。

图５．６表示半导体激光器阵列的几条出射光线经过非球面微柱面透镜时的传输情况。

2.半导体激光的光束对称化

半导体激光器输出光束经过快轴准直透镜之后，输出光束的发散角得到压缩，但是由于激光器发光面本身的不对称性，输出光束存在像散，对于半导体激光器列阵（LDBar）这种像散尤为严重，对于半导体激光器的许多应用如端面泵浦固体激光器和光纤耦合等非常不利，因此在许多时候需要对其进行对称化变换。

目前已有的实现半导体激光器列阵对称化变换的方法有：

采用把半导体激光器列阵每个发光面耦合进一根小芯径光纤并把光纤的另一端排成一束的线状变成束状的光纤耦合器法；采用阶梯镜进行光束整形的阶梯反射镜法；利用一对相互平行彼此错位且与入射的半导体激光器光束成一定角度放置的高反平面镜构成的平行平面镜法；采用可以使输入光束沿传播光轴旋转的多棱镜阵列法，利用三个扭转柱面透镜实现光束对称化的扭转柱面透镜法等。

以下对比较典型的方法进行介绍。

（1）、光纤束法

半导体激光器列阵的每一个发光面的输出光束耦合进一根芯径较小、数值孔径较小的光纤，把所有这些光纤排成一个圆形，后耦合进一根芯径较大的光纤，通过这么一种线形到圆形的光束变换器实现光束的对称化。

这种方案的优点是结构比较简单，技术成熟（可以利用光纤通讯上的Ｖ－ＧＲＯＯＶＥ技术）；缺点是耦合效率受半导体激光器列阵的ＳＭＩＬＥ，以及发光面间距不一致影响。

对称化后，输出光纤的芯径比较大，一般要４００ｕｍ－８００ｕｍ左右，不利于半导体激光器的应用。

（2）、阶梯镜法

该方案采用一对相对放置的具有高反射率的阶梯镜作为整形元件，阶梯镜由铜或其它金属制成表面被抛光因此具有很高的反射率，也可以采用玻璃表面增镀高反膜作为反射镜。

如上图所示，两个阶梯镜安装在一个可以上下移动的滑轨上，便于调整之间的间距。

输出光斑的尺寸与阶梯数目和后移量以及两个镜子之间的宽度有关，调整以上有关参数，可以使输出光束为一近圆光斑，耦合进６００ｕｍ光纤，整体效率高于７０％。

（3）、平行平面镜法

该方法的核心部分是一对相对放置的高反射率平行平面镜，如上图所示，两平面镜Ａ，Ｂ相互平行，彼此之间相距一个很小的距离，边缘相互错开。

入射光线经过准直后斜入射，与ｘｚ平面成xθ角，与ｙｚ平面成yθ角，适当选取xθ，yθ，是光线１直接通过未经任何反射，光线２经Ｂ－Ａ两平面各反射一次，然后在光线１的下方出射，光线３经Ｂ－Ａ－Ｂ－Ａ反射四次在光线２的下方出射，依此类推，原来在的入射光束沿其垂直方向重新排列。

（4）、微片棱镜堆叠法

微片棱镜堆进行光束整形的原理如左图所示，微片棱镜堆是由若干片薄等腰直角棱镜组成，每个棱镜薄片绕自己得一条底棱旋转４５°，同阶梯反射镜类似，入射的半导体激光器光束首先被棱镜堆分割为若干段，分割的段数与微棱镜的数目一致，每一段入射光经过微棱镜后旋转９０°，使得原来水平方向的光束变成沿垂直方向出射，所以出射光束在原来光束的快轴方向上排列，这样大大减小了半导体激光器两个方向上光束参数积的差异，从而达到整形的要求。

但是这种方法棱镜加工比较困难，整体效率不高（６０％左右），棱镜位置的安装误差对整体效率的影响很大。

3.利用扭转柱面透镜系统实现半导体激光光束的对称化与其他调制

随着技术的不断发展，现在已经有了扭转柱面透镜系统实现半导体激光光束的对称化与其他调制，如上图所示。

这种手段可以使激光的光斑半径、束腰位置、远场发散角、瑞利长度和光束参数积全部在一个系统中得到同时改变。