半導體激光器的微柱透鏡準直方法研究

李 婕，徐 莉

(長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室，長春 130022)

0 引言

半導體激光器具有體積小、功耗低、重量輕、壽命長、價格低廉以及光電轉換效率高等獨特優勢，在醫療衛生、國防安全、材料加工、電子技術、信息傳輸和生命科學等領域獲得了廣泛應用。

半導體激光器一般采用量子阱結構，其有源層的厚度(0.1微米左右)和寬度(數十至百微米)差別很大，激射光束通過有源層截面狹縫時發生衍射，造成光束在有源層垂直方向和水平方向的發散程度不同，光束遠場的光斑呈橢圓狀，平行方向的發散角θ//大于8°，而垂直方向的發散角θ⊥大于35°。半導體激光器輸出光束的不對稱性，在很大程度上限制了應用。因此，開展光束準直方法研究，探索獲得半導體激光器準直光束的方法，對激光器的實際應用進行理論指導，具有重要現實意義。

本文圍繞半導體激光器的快軸光束準直開展研究，首先設計出柱透鏡法進行快軸準直的原理圖，然后采用Zemax光學軟件建立快軸準直模型，并探討了位置偏差和高度偏差對準直效果的影響。研究結果對半導體激光器快軸準直實驗的裝調工藝有指導意義。

1 基本原理

建立半導體激光器快軸準直模型，常見的快軸準直方法有柱透鏡法、非球面柱透鏡法和自聚焦透鏡法等，文中對柱透鏡準直方法進行研究。設計發光波長808nm的半導體激光器(LD)，設定其發光面積為100μm×1μm，設定快軸發散角θ⊥為40°、慢軸發散角θ//為10°，采用直徑為200μm石英柱透鏡作為準直透鏡，其折射率 n=1.61。

快軸準直方法系統結構原理如圖1所示，圖中柱透鏡可進行三維調節以實現最佳準直效果。使用zemax光學設計軟件建立柱透鏡準直模型，由近軸近似關系可得到，柱透鏡的焦距f與半徑r的關系如下:

其中n為柱透鏡折射率。

根據成像關系:

圖1 柱透鏡三維調節圖

其中 l、l'、f分別為物距、像距和焦距。

2 理論模擬

在柱透鏡法快軸準直系統中，柱透鏡的擺放位置和偏轉角度都可能會影響準直效果，本文主要圍繞柱透鏡的擺放位置開展理論模擬研究，探索位置對準直效果的影響。

在zemax建立的直徑200μm柱透鏡準直808nmLD光束系統中，首先對存在的幾種誤差情況進行分析。

2.1 半導體激光器發光面與透鏡焦點重合

LD的發光面位于透鏡的焦距，即當l=f時，l＇=∞，此時的發散角為0°(理想狀態下)。

此時系統的光路和光斑形狀等如圖2所示，圖2a為在芯徑200μm柱透鏡處于808nmLD發光面前l=f=131.96μm處的情況，其光線追跡圖表明激光器的光束獲得了較好的準直;圖2b和圖2c分別為在相同條件下1mm處得到的遠場光斑點列圖和能量分布圖。點列圖和能量分布圖表明，這種條件下的準直效果非常理想，光束的能量分布非常均勻。然而，由于半導體激光器的出射光束不可能是理想狀態，在實際應用中也就不可能實現這種狀態。

圖2 柱透鏡位于LD發光面前l=f時光線圖

2.2 半導體激光器發光面與透鏡的距離偏差

(1)若激光器的發光面不在透鏡的焦點處，即當l≠f時，由式(2)可得:

這里l-f稱為離焦偏差。

當l-f＞0時，l＇＞0，光束為會聚光束。此時的光線軌跡如圖3所示，圖3a為柱透鏡處于808nmLD發光面前l＞f(131.96μm)處的時，zemax模擬得到的三維光線追跡圖，圖3b和圖3c為在相同條件下1mm處得到的遠場光斑點列圖和能量分布圖。

此時準直光束得到了較大程度的壓縮，若離焦偏差的值趨近于零，則輸出光束同樣可以達到理想的準直效果，但隨著離焦偏差增大會出現準直過度，發散角度會逐漸增大，從能量分布可以看出光斑能量逐漸向光斑的上下兩極發散，這會嚴重影響準直效果及能量分布。

圖3 柱透鏡處于LD發光面前l＞f處的光線軌跡圖

當 l-f＜0時，l'＜0，光束為發散光束。

此時的光線軌跡如圖4所示，圖4a為在柱透鏡置于LD發光面前l＜f(131.96μm)處的條件下，模擬的三維光線追跡圖，圖4b和4c為在相同條件下1mm處得到的遠場光斑點列圖和能量分布圖。從圖4中可以看出，離焦偏差的值趨近于零，則輸出光束同樣可以達到理想的準直效果，但是隨著離焦偏差負數值的不斷減小，會出現準直不足的狀況，光束依然是發散的，這種發散角壓縮不夠將直接導致光束能量分布分散。由實際遠場光斑圖可知，此時的光斑為彌散光斑，光束質量依然較差。

圖4 柱透鏡處于LD發光面前l＜f處的光線軌跡圖

2.3 半導體激光器與柱透鏡的高度偏差

所謂高度偏差是指LD激光出射面與柱透鏡軸線的垂直距離Δy，可等效為物高-y，其物象公式為:

式中y'，θ分別為像高和像與光軸的傾角。

當y=0時，LD出光面與柱透鏡在光軸上重合，此時不存在像高和傾角;

當y≠0時，水平輸出光路將會發生變化，相應的成像方向也會隨之改變。

此時的光線軌跡如圖5所示，圖5a為在柱透鏡處于LD發光面前距離l=f=131.96μm時，LD與柱透鏡之間存在Δy=10μm垂直偏差時，繪成的三維光線追跡圖，圖5b和圖5c分別為在該狀態下在1mm處得到的遠場光斑點列圖和能量分布圖。從途中可以看出，經透鏡準直后出射的光束光斑存在彗差，對準直效果影響很大，同時，快軸方向的光參數積也會隨之增大。

圖5 LD與柱透鏡存在10μm高度偏差時準直模擬圖樣

3 結語

開展了半導體激光器的微柱透鏡法快軸光束準直研究，采用Zemax軟件建立了LD微柱透鏡準直模型，模擬了準直系統中柱透鏡存在位置偏差和高度偏差時，激光束的形狀和能量分布特性。對于位置偏差，激光器和柱透鏡間距離大于焦距時光束發生會聚;而距離小于焦距時光束發生擴散。對于高度偏差，其存在會導致經透鏡準直后出射的光束光斑存在彗差。因此，在激光器的裝調工藝中應盡量避免出現位置偏差和高度偏差，以實現最佳的準直效果。

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