光束參量積對半導體激光器光束質量的評估

楊孝敬,焦清局,王乙婷

(1.安陽師范學院 計算機與信息工程學院, 安陽 455000；2.北京工業大學 國際WIC研究院, 北京 100124；3.上海交通大學 電子信息與電氣工程學院, 上海 200240)

引 言

隨著對半導體激光器光束質量的要求越來越高，對半導體激光器光束質量參量的研究非常急迫。例如：聚焦點大小、遠場散度角、時間衍射限制參量β、光束參量積(beam parameter products,BPP)因子和M2因子等。由于不同的定義和方法導致其結果不同[1]，所以至今沒有一個參量積因子能夠有效地評估高能半導體激光器的光束質量。因此，研究激光的光束質量參量積因子非常必要[2-3]。

由于多發射半導體激光芯片[4-5]性能可靠、成本低而被廣泛應用。許多文獻中都對光束質量的評估進行了討論[6-8]。參考文獻[9]和參考文獻[10]中研究了半導體激光器的通用性和適應性中的光束質量參量積Mq2因子，并對其進行了初步驗證。眾所周知，M2因子不適合評價高能激光的光束質量。高能激光的諧振腔一般是非穩腔，輸出的激光光束不規則，不存在光腰。而且，對于能量分布離散型的高能激光光束，由二階矩定義計算得到的光斑半徑與實際相差也很遠，因而得到的M2因子誤差很大。M2因子要求光束截面的光強分布不能有陡直邊緣，比如對于超高斯光束,M2因子就不適用。

作者采用參考文獻[9]中提出的光束參量積Mq2因子對半導體激光器高能激光的光束質量進行評估。研究了各種因素，特別是準直和聚焦透鏡對光束質量的影響。采用光束質量參量積Mq2因子解釋半導體激光器的準直效果，通過疊加幾個信號發射器芯片來調節多發射極半導體激光器聚焦透鏡，從而系統驗證了Mq2的有效性。

1 理論分析

下面采用光束質量參量積Mq2評估光束質量，并解釋疊加信號發射極芯片調節多發射半導體激光聚焦透鏡的準直效應。光束質量參量積Mq2因子為：

(N//·θ//)k//}2·F(As)

(1)

由此可知,Mq2是對準直聚焦鏡光束質量的評估因子,L//和θ⊥是影響Mq2的關鍵因素。

2 實驗分析

為了驗證半導體激光芯片對準直和聚焦透鏡的影響，參考了參考文獻[10]中的方法設計了實驗。如圖1所示，選擇輸出功率為9W、波長為915nm±10nm的商業激光芯片。采用快速軸方向上有效焦距長度(effective focal length, EFL)等于慢軸方向上有效焦距長度的聚焦透鏡。設置慢軸準直(slow axis collimator, SAC)的有效焦距長度直到光束有效自準。開始測試、記錄并處理實驗數據，然后填入下列表格中。本文中只考慮As=0(單位歸一化)的情況(通過透鏡消除后的像散現象)。

(1)本文中考慮快軸準直焦距(fast axis collimator,FAC)的影響。結合2個不同的FAC透鏡(EFL為600μm和EFL為1100μm)6個芯片的結果。比較表1和表2發現，FAC透鏡的EFL減小，Mq2的值減小，表明此條件下光束質量較好。

Fig.1 Simulation of stacking multilayer diode laser chip

(2)研究激光二極管數目的影響。比較表2和表3可知，增加激光二極管數目，Mq2的值變大，光束質量變差。

Table 1 Measurements and calculations for 6 combined beams using an 1100μm FAC (N⊥=6,N//=1,As=0)

parametermeasurementcalculationdifference/%EFL of 100.1mmL⊥/μm149.0138.66.1L///μm811.0801.47.2N⊥·θ⊥/mrad6.26.20.1N//·θ///mrad0.70.71.9Mq2/(mm·mrad)7.87.80.4EFL of 49.8mmL⊥/μm81.369.89.1L///μm382.6402.62.9N⊥·θ⊥/mrad12.490.2N//·θ///mrad0.70.91.8Mq2/(mm·mrad)15.414.34.1EFL of 8mmL⊥/μm12.912.414.1L///μm59.459.80.9N⊥·θ⊥/mrad71.370.50.2N//·θ///mrad6.26.51.9Mq2/(mm·mrad)89.779.68.1

Table 2 Measurements and calculations for 6 combined beams using a 600μm FAC (N⊥=6,N//=1,As=0)

parametermeasurementcalculationdifference/%EFL of 100.1mmL⊥/μm301.1284.34.1L///μm698.9785.66.3N⊥·θ⊥/mrad2.93.21.1N//·θ///mrad0.40.60.8Mq2/(mm·mrad)3.13.12.1EFL of 49.8mmL⊥/μm151.2142.65.2L///μm402.4412.74.1N⊥·θ⊥/mrad5.95.91.3N//·θ///mrad0.90.91.0Mq2/(mm·mrad)4.84.62.9EFL of 8mmL⊥/μm12.919.92.9L///μm62.763.50.9N⊥·θ⊥/mrad40.139.41.3N//·θ///mrad5.95.61.0Mq2/(mm·mrad)29.826.84.2

Table 3 Measurements and calculations for 10 combined beams using a 600μm FAC (N⊥=6,N//=1,As=0)

parametermeasurementcalculationdifference/%EFL of 100.1mmL⊥/μm286.2259.24.1L///μm741.9769.34.9N⊥·θ⊥/mrad9.17.90.3N//·θ///mrad0.40.41.9Mq2/(mm·mrad)22.622.60.2EFL of 49.8mmL⊥/μm139.7129.56.1L///μm402.4421.13.9N⊥·θ⊥/mrad17.117.00.4N//·θ///mrad0.80.81.9Mq2/(mm·mrad)51.649.82.1EFL of 8mmL⊥/μm19.918.72.8L///μm59.259.80.8N⊥·θ⊥/mrad122.6122.10.3N//·θ///mrad5.85.31.9Mq2/(mm·mrad)305.9303.41.6

(3)考慮不同聚焦透鏡的影響。表1～表3中分別比較EFL為100.1mm,49.8mm和8mm約3個透鏡。發現聚焦透鏡的EFL減少和Mq2值增加引起焦點變大，光束質量變好。以上所述，光束質量參量積Mq2因子能夠有效反映FAC的EFL、激光二極管的數目和聚焦透鏡的EFL。

從表1、表2和表3中可知,L//和θ⊥是光束質量的主要影響因素。L//和θ⊥的變化越明顯，光束質量參量積Mq2因子的變化越明顯。光束質量參量積Mq2因子的變化非常顯著，測量值和計算值之間的誤差一般小于5%。因此，光束質量參量積Mq2因子能夠有效評估高能激光的光束質量。

3 結 論

光束質量參量積Mq2因子不僅可以評估半導體激光的光束質量，評估準直和聚焦透鏡半導體激光芯片的光束質量，也能有效反映影響FAC的EFL、激光二極管的數目和聚焦透鏡的EFL。結果表明,Mq2因子適合評估高能激光的光束質量。