半导体激光器堆栈填充因子对慢轴光束准直的影响

为实现基于微透镜阵列的高功率半导体激光器堆栈光束整形,对带有快轴准直透镜的高功率半导体激光器堆栈慢轴光束准直技术进行研究。在慢轴光束准直理论分析基础上,着重研究了慢轴填充因子对其光束准直的影响,并对不同填充因子的半导体激光器慢轴光束准直方案进行了分析。针对实际使用的填充因子0.5的高功率半导体激光器堆栈采用以Bar条为单元进行整体准直设计,并采用基于空间扫描法的发散角测试装置对慢轴准直后剩余发散角进行测试,实现准直后剩余发散角半角2.12°,实验表明该准直方法的有效性。     

柱透镜和弯月透镜实现半导体激光器光束整形

针对半导体激光器的发光特点,设计了半导体激光器的光束整形系统。首先采用柱透镜准直和偏转沿Y轴发散的光束;然后再采用望远系统对X轴发散的光束进行准直和扩束;最后采用弯月透镜对发射光束压缩,实现半导体激光器的光束整形,降低光束发散角,提高光束质量。利用ZEMAX软件模拟系统,结果表明,整形后输出光束沿X轴和Y轴的发散角变为4.922mrad,输出光斑直径为1.2707mm,整形系统总长度为65.6618mm,各元件的最大直径为20.52mm,输出光束质量和系统结构都优于同类产品。     

用于周向探测的均匀配光非球面柱透镜设计

针对周向探测系统对探测激光光束发散角大小和能量均匀分布的要求,提出了一种基于非球面柱透镜阵列的分区探测方案。探测系统光源为快轴准直的半导体激光器阵列,激光慢轴由非球面柱透镜阵列进行配光。提出了平行光线光源近似方法来简化复杂的高斯光束相关计算,并最终得到非球面曲线方程。应用上述方程确定的非球面柱透镜阵列,得到发散角可调且功率密度关于弧矢面平面角均匀分布的出射光束,均匀度可达98.64%。为减小光学系统公差的影响,设计了波浪型结构透镜阵列。通过误差分析可知:透镜材料的折射率误差只影响发散角的大小而不影响配光的均匀性;波浪型透镜阵列替代传统柱透镜阵列,避免了相邻透镜之间的楔形结构,减小了制造难度和制造误差;线光源长度与透镜周期对应,使得装配时透镜偏心和倾斜产生的公差影响减弱。     

高功率叠阵二极管激光器光束整形

采用光线追迹法详细分析线阵二极管激光器经微球面柱透镜快轴准直后的光强变化情况,利用快轴准直微球面柱透镜的球差可调整输出激光光强分布的特性,得出了快轴准直输出发散角约5°时光强分布具有较好的平顶形式。根据叠阵二极管激光器输出光的特点,设计了由25个二极管激光器组成的叠阵二极管激光器的光束整形输出系统,该系统由快轴准直微透镜、快轴耦合透镜和慢轴耦合透镜组成,把需要泵浦的激光介质薄片设计在快轴耦合透镜的焦点上,并且在慢轴耦合透镜的成像面附近,得到了7mm×8mm的泵浦光斑,光强不均匀性约10%,输出效率达到85%。     

异轴双半圆柱透镜准直半导体激光光束

运用光线追迹的方法,讨论了异轴双半圆柱透镜准直半导体激光光束的效率.数值模拟结果表明,异轴双半圆柱透镜可用于准直半导体激光光束,在最佳准直时,透镜材料的折射率允许高于2;当折射率在一定的范围内变化时,其准直效率随折射率的增大而提高.理论上可以将半导体激光器输出光束快轴方向的发散角压缩到0.1 mrad量级以下.     

二极管激光器垂直阵列光束精密准直

 为实现二极管激光器垂直阵列输出光束具有小发散角、高指向精度的特点,简述了快轴准直（FAC）微透镜的光束准直原理,分析了调节装置的精度要求及透镜选择等问题。通过光学成像方法实时监测二极管激光bar条的近场像和远场像,对FAC透镜分别进行粗调节和细调节,获得了20个bar条连续输出2 kW,垂直阵列二极管激光快轴准直光束远场发散角4.4 mrad,bar条间准直光束指向精度不大于±1.7 mrad的准直效果,并对监测精度进行了简要分析。对影响光束准直效果的因素进行了分析,指出了工艺优化的重点。     

阵列半导体激光器的光束参数测量与光纤耦合

采用ISO推荐的方法测量了发光面为 1μm× 15 0 μm的阵列半导体激光器的光束半径、远场发散角、束腰位置、瑞利长度 ,并根据测量结果计算了光束传输因子 (M2 因子 )。以此为基础 ,研究了半导体激光器光束的快轴准直以及光纤耦合技术 ,采用微柱面透镜准直后 ,阵列半导体激光器快轴方向发散角可减小到 0 .48°。设计了光纤耦合光学系统 ,与 10 0 μm光纤耦合时的耦合效率为 71.0 % ,与 2 0 0 μm光纤耦合时的效率为 83.4%。     

半导体激光器光束准直系统的功率耦合效率

在长距离无线光通信中，接收点光功率密度与光束发散角平方呈反比关系，为了获得小的发散角和大的功率耦合效率，要求准直系统有较大的数值孔径(NA)，但数值孔径过大会增加像差，因此合理设计功率耦合效率与准直系统的数值孔径就非常重要。该文对半导体激光器光束准直系统中功率耦合效率进行了研究，给出了半导体激光器光束功率耦合效率与k(孔径半径与孔径处等效光束半径之比)的关系表达式，并结合激光器光束准直系统，给出了半导体激光器光束功率耦合效率与准直系统数值孔径的关系表达式。该研究结论对于半导体激光器光束准直系统设计具有参考作用。     

976 nm宽条形高功率半导体激光器的光束质量M2评价

为了提高976 nm宽条形高功率半导体激光器的光束质量,基于严格的二阶矩理论搭建了一套适用于高功率半导体激光器的光束质量检测装置。利用该装置测量了实验室研制的976 nm宽条形高功率半导体激光器在1～10 A工作电流下的束腰位置、束腰尺寸和远场发散角。实验结果表明,随着电流从1 A增加到10A,快轴方向束宽及远场发散角由于反导引效应有微小增加,但由于垂直方向较强的折射率导引机制使得光束参数变化很小,光束质量因子M~2仅从1. 32增加到1. 48,光束质量基本不变。慢轴方向由于反导引效应及热透镜效应而导致高阶模式激射,使得束宽及远场发散角随工作电流增加逐渐增大,光束质量因子M~2从5. 44增加到11. 76,光束质量逐渐变差。傍轴光束定义及非傍轴光束定义下的光束质量因子测试结果表明,在快轴方向,两者差别较大,不能使用傍轴光束定义近似计算;在慢轴方向,两者近似相等,可以使用傍轴光束定义近似计算。     

半导体激光器远轴光束的准直特性研究

对半导体激光器光束准直场的研究具有重要的意义,半导体激光器的远轴模型能精确描述其发出的光束。根据瑞利索末菲衍射公式,利用稳相法得出了半导体激光器远轴光束经过透镜准直后的场分布解析表达式。根据该表达式可以得出如下结论:准直后光束在两个方向上的光斑大小与透镜焦距成正比,且与传输距离无关,沿轴光强与波导尺寸参量和准直透镜焦距有关,且与透镜焦距成平方反比关系,在传输距离较短的情况下,准直光场相位分布近似为球面,传输距离较长时,光场相位近似为平面.这些结论在工程应用中具有重要的价值。     

体布拉格光栅外腔半导体激光器光谱特性研究

用体布拉格光栅(VBG)作为反馈元件与瓦级半导体激光器(LD)以及快轴准直柱透镜构成一个可以将半导体激光器的工作波长稳定在体布拉格光栅布拉格波长处的外腔激光器。测量了体布拉格光栅外腔激光器的波长稳定性与其工作电流、热汇温度、激光束准直装置等因素的关系。分析了波长稳定效果与半导体激光器增益谱特性、外腔结构参量等因素的关系。研究表明,在相同的工作电流、热汇温度下,当准直柱透镜直径为0.4 mm时的波长稳定效果较好;在此情况下,当热汇温度控制在30℃,工作电流从0.5 A增加到1.5 A的测量范围内,以及当工作电流固定在1.5 A,热汇温度从20℃增加到35℃时,测得的光谱特性表明,半导体激光器的工作波长可以很好地稳定在体布拉格光栅的布拉格波长处。与该激光器在同样条件下自由运转的光谱比较,可以看到,自由运转激射波长与体布拉格光栅的布拉格波长差值小于2.6 nm情况下,可以获得很好的波长稳定效果。实验也表明,当该值大于4.8 nm时波长稳定效果变差。     

体布拉格光栅外腔半导体激光器的光栅旋转角度容差

采用步进电机控制光栅角度,对200 m和600 m圆柱透镜准直的体布拉格光栅（VBG）外腔单管C封装半导体激光器进行了系统研究。实验结果表明:激光二极管（LD）驱动电流越大,准直效果越好,VBG的角度调整容差越小;快轴方向的准直效果越好,慢轴方向的光栅调节角度容差越大;对于衍射效率28%、厚1.4 mm的光栅,LD快轴发散角为7.3 mrad时,快轴方向的角度容差不大于3.2 mrad,慢轴方向的角度容差较快轴大约一个数量级。     

大功率二极管激光线阵的“smile”测量方法

 二极管激光线阵封装中产生的“smile”现象对激光器的激射特性、寿命、光束质量等都会产生较大的影响。采用高分辨率CCD、快轴准直透镜及柱面透镜组成的单轴放大系统对激光线阵发光单元成像及基于光斑强度求质心的算法实现了二极管激光线阵“smile”的测量。实验结果表明：在阈值电流附近,采用In焊料焊接的器件“smile”小于2 μm,讨论了快轴准直透镜、CCD等对实验结果的影响。     

小半径柱面镜光学加工工艺研究

针对某新型导弹激光系统提出的小半径柱面镜,通过对传统柱面镜加工方法的综合分析比较,选择合适的加工方法、用不同抛光模层进行抛光比较,对多种分离器材料和分离器槽的长短、模具的摆动幅度等进行工艺试验,使小圆棒柱面镜的表面粗糙度最小值达到Ra 0.005 m,优于设计图纸表面粗糙度Ra 0.01 m的要求,后续再磨去多余的半个圆柱,形成并达到平面的技术要求,满足了此半圆柱状的小半径柱面镜全部技术条件,形成稳定批产加工能力。     

基于外腔反馈二极管线阵列的smile效应测量方法

采用外建激光谐振腔,在低于原芯片阈值的电流激励下对LDA的每个发光点进行单独测量,从而分析整个半导体激光阵列(LDA)的smile效应。实验中利用镀膜反射率大于半导体前腔面的外腔镜形成外腔半导体激光器。在外腔中插入曲面平行于p-n结的柱面镜,使只在光轴上的发光点与外腔镜形成外腔激光器,降低该发光点的激光阈值,从而使其在正常的阈值以下的电流激励下输出激光,在平行于p-n结的方向移动柱面镜,可以逐个对半导体激光器中的发光点进行选择测量,从而获得LDA smile效应的测量值。测量中的低电流激励产生的热量对芯片寿命没有影响,对LDA的发光点的单个测量也避免了其他发光点对CCD的影响。     

980 nm泵浦激光二极管与柱形透镜光纤耦合的角向容忍度

给出了一个计算980 nm泵浦激光二极管与柱形透镜光纤耦合角向容忍度的理论模型,并选择圆形的柱透镜光纤进行数值计算,得出了在水平和垂直方向上偏转加平移时的相对耦合效率及绕光纤轴向转动的相对耦合效率的数值计算结果并加以分析,同时也研究了光纤透镜的形状和激光二极管与光纤的间距对相对耦合效率的影响.     

衍射极限非球面准直透镜

介绍了一种新的非球面透镜设计方法。通过非球面方程中二次曲面常数和非球面系数对光学系统像差的贡献来设计非球面透镜,并详细分析了非球面设计过程。设计了数值孔径NA=0.37, 纤芯Φ=600μm的大光束光纤耦合半导体激光器的非球面准直透镜,其焦距f=50mm。从像质评定可以看出, 非球面准直镜几乎接近衍射极限, 整个系统的波像差小于0.3λ。实验表明： 采用非球面准直系统能最大限度地利用光能率和提高光束准直性, 证明了设计方法基本正确。     

高功率高效率光纤耦合半导体激光模块研制

采用光束整形和空间合束的方法,研制出高功率、高效率多阵列光纤耦合半导体激光模块。将波长为976nm连续工作的5个标准半导体阵列,通过对快轴进行准直和快慢轴光束旋转的方式进行光束整形,准直后进行空间合束,经耦合透镜聚焦,耦合入芯径400μm、数值孔径0.22的光纤。测量结果显示:光纤的出光功率最大可达到327 W,光纤耦合效率大于93.6%。