新型激光二极管列阵光束整形方法_吴芃

将 (4)和 (5) 两式 分别带 入 (2)和 (3),
可以解出
January 2010
Semiconductor Technology Vol.35 No.1 5 1
吴 等 :新型激光二极管列阵光束整形方法
4d2sin4 θx -(Δx2 +4d2)sin2 θx +Δx2n2 =0 (6) 4d2sin4 θy -(Δy2 +4d2)sin2 θy +Δy 2n2 =0 (7)
1 整形系统设计
1.1 整形系统设计要求 首先引入光束参数乘积 (BPP) 的概念来表征
激光光束的特性 , 以分析 LDA 光束与光纤之间的 耦合关系 , 其定义为束腰直径的一半与远场发散角 的一半的乘积[ 13]
50 半导体技术第 35 卷第 1 期
2010 年 1 月
吴 等 :新型激光二极管列阵 光束整形方法
Δx =2dtan(θx′)cos(θx)
(2)
Δy =2dtan(θy′)cos(θy)
(3)
根据折射定律, θx , θx′, θy , θy′满足以下关系
nsin θx′=sin θx
(4)
nsin θy′=sin θy
(5)
同理 , 子光束 3 , 4 , 5 , 6 和 7 分别在整形镜
中反射 2 、 4 、 6 、 8 、 10 次 , 从 而在 x 方 向产 生
(Institute of Semiconductor , Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China)
Abstract :In order to change LDA output beam into a style which can be coupled with small core radius fiber , a simple but efficient system was designed .A fast and slow axis collimation module was used to collimate the output beam from LDA , after that a plant mirror with both sides coated in special area was used to divide the beam into 7 sub-beam in slow-axis direction and reordered in fast-axis direction .After beam shaping process , the quality of the LDA output beam are improved a lot which can be focused into fiber (400 μm , 0.22), and the whole beam shaping set efficiency is 95.2 %.
2Δx , 3Δx , 4Δx , 5Δx , 6Δx 的平移 , 而相应地在
y 方向产生 2Δy , 3Δy , 4Δy , 5Δy 和 6Δy 的平移 。
所以通过合理的选择 d , θx 和 θy 的值和整形镜的 位置 , 就可以方便地控制压缩后的 LDA 的分束情
况 , 达到光束重排的目的 。
器件制造与应用 Manufacturing and Application of Device
doi :10.3969/ j.issn.1003-353x.2010.01.012
新型激光二极管列阵光束整形方法
吴 , 王翠鸾 , 韩淋 , 刘媛媛 , 李伟 , 冯小明 , 刘素平 , 马骁宇
(中国科学院 半导体研究所 , 北京 100083)
关键词 :半导体激光器 ;光束整形 ;双面分区镀膜的平面反射镜 ;高亮度 中图分类号 :TN248 文献标识码 :A 文章编号 :1003-353X (2010)01-0050-04
Novel Beam-Shaping Method for LDA
Wu Peng , Wang Cuiluan , Han Lin , Liu Yuanyuan, Li Wei , Feng Xiaoming , Liu Suping , Ma Xiaoyu
到整形的效果 。
同理可得
(Δ2dy)4 -(4n2 -2)(Δ2dy )2 +1 ≥0
(9)
同理 Δy ≤1.52 。 在满足以上条件时 , 确定 Δx
和 Δy 后 , θx 和 θy 可通过公式 (6)和 (7)确定 。
2 整形实验
2.1 LDA 的结构及电光特性参数
LDA 光束整形系统的实验装置示意图如图 3 所 示 。 实验中所用的 LDA 是中科院半导体所 工程中 心生产的 , 中心波长808 nm , 连续输出功率20 W 。 其包含 19 个发光 区 , 单 个发光 区宽度 为100 μm , 周期为500 μm 。LDA 采用 CS 封装形式 , 通水制冷 , 可保证连续条件下稳定可靠的工作 。在水冷温度为 20 ℃、 28 A连 续电流条件下 , 测得其输出功 率为 26.8 W 。 选取的发散角测量标准为能量下降到最高 能量的 11e2 所对应谱线宽度 (以下的测量 均基于 此标准), 测得快轴方向的发散角为63.8°, 慢轴方 向的发散角为10.7°。
值得指出的是 , 在式 (6)中光束反射而产生的位
移量 Δx 需要满足
(Δ2dx)4 -(4n2 -2)(Δ2dx )2 +1 ≥0
(8)
具体到本实验 ,
此条件变为
Δx 2d
≤0.38 ,
Δx ≤
1.52 , 即说明选取的 Δx , 即切割后的光束之间的
间距 , 不能太大 , 否则无法找到合适的入射角度达
慢轴方向切割 , 并将切割后的子光束沿快轴方向重
排 , 减小慢轴方向的 BPP , 增大快轴方向的 BPP 。
整形后 的快 慢轴方 向 的 BPP 值均 不大 于 光纤 的
BPP 值 , 才能实现高效率的光纤耦合输出 。
1.2 整形系统设计原理
为了实现上述目的 , 选取了一个在两面分区镀
膜的平面镜作为整形的核心器件 , 其两面的膜系分
布如图 1 , 可见其每个面上在特殊的区域上分布有
增透膜和高反膜 , 其工作原理见图 2 。
(a) 平面镜入射光一侧膜系分布
(b) 平面镜出射光一侧膜系分布 图 1 两面 的膜系分布
Fig.1 Schematic diagram of coatings on both sides
(a) 慢轴方向
(b) 快轴方向
图 2 镜整形原 理示意图 Fig.2 Schematic diagram of beam-shaping
压缩后的 LDA 输出光束慢轴方向为 x 轴 , 快
轴方向为 y 轴 , 与之相对应的整百度文库用的平面反射
镜的两条边的方向分别为 x′和 y′, x 轴与 x′轴成 θx′角 , 而 y 轴与 y′轴成 θy′角 , 此平面镜的厚度设
为 d 。如图所示把慢轴方向的光束分为 7 个子光
束 , 子光束 1 经过整形镜的两个增透区直接透出 。
子光束 2 从前端面的增透区入射 , 经过两次反射后
从增透区透过 。由于 θx′和 θy′的存在 , 光束 2 经过 反射镜反 射后沿 x 方向平移 , 定义平移量为 Δx ,
沿 y 方向平移定义平移量为 Δy 。
52 半导体技术第 35 卷第 1 期
分为相等的 7 束 , 并将其在快轴上重排 , 实验方案 见图 4 。
图 4 光束重排原理图 Fig.4 Diagram of beam rearrangement theory
2.2 双面镀膜的平面镜的设计 经过快慢轴压缩后的 LDA 输出光束慢轴方向
的光 斑尺 寸 约 为 9 mm , 整形 镜 距出 光 端 面约 为 15 mm , 存在 5.37°的发散角 。 在实验中采用把 LDA 慢轴方向的输出光束平均分为七段 , 则 Δx =10/7 , 即切割后每段光长度 Δx =10/7 , 实验中为了避免 光能 的 损 失 取 1.5 mm , 同 理 Δy ≈0.85 ×1.3 = 1.1 mm , 根据公式 (6)、 (7)可知 , 本文通过合理 选择镜间距 d 和入射角 θx′、 θy′的值可以达到光束 整形的 目的 。 实验 中 , 选 择的 K9 玻璃 厚 度 d = 2 mm , 设计的 θx 为 46.5°, θy 为 26.4°, 根据以上 条件实验中选择的膜系在一个相对宽的角度范围内 具有相同的性质 , 即在 35°±15°范围内具有相对均 匀的光学性质 。
BPP
=
1 2
ω×12
θ
(1)
由于传统 的光学成 像原件 无法改 变 BPP 值 ,
而只有当 LDA 和光纤的 BPP 值相符合时 , 才能实
现 LDA 和光纤通过聚焦系统实现高效耦合 。 下面
分别分析 LDA 和光纤的 BPP 值 。
LDA 由 多 个发 光区 排 列组 成 , 一般 为 10 mm
数乘积
BPP
fib er
=
1 2
ωfiber
×12
θfiber ≈44.25 mm·mrad 。
慢轴方向的 BPP 值比光纤的 BPP 值大很多 , 而传
统的光学成像系统不能改变光束参数乘积 , 所以不
能把 LDA 的输出光直接耦合进入光纤 。为 了实现
LDA 的光纤耦合输出 , 必须将 LDA 的输出 光束沿
图 3 实验 装置示意图 Fig.3 Diagram of experimental set
因为 LDA 输出光束快轴方向的发散角很大 , 慢 轴方向存在不发光区 , 所以在进行光束重排之前 , 必须先进行发散角的压缩 。 本文选用德国 LIMO 公 司生产的快慢轴准直微透镜组进行快慢轴两个方向 发散角的压缩 。 压缩后 , 测得输出功 率为26.5 W , 快轴方向发散角0.21°、 束腰直径0.85 mm , 慢轴方向 的发散角为5.37°, 计算得 到未进行 光束重排 前的 LDA 的 BPPfast值约为0.075 mm·mrad , BPPslow值约为 222.5 mm·mrad , 在本实验中选择把慢轴方向的光束
摘要 :设计并制作了一套简单有效的光束整形系统 , 用以改善激光二极管列阵器件 (LDA) 的光束质量 , 减小快慢轴光束质量积的差别 , 实现高亮度光纤耦合输出 。 首先采用快慢轴准直透 镜压缩 LDA 的发散角 , 然后采用双面分区镀膜的单片平面镜 , 通过反射和折射将压缩后的 LDA 慢轴方向的光束分为 7 束 , 并将 7 束子光束在快轴方向重新排列 , 实验测得整形装置的效率为 95.2 %。 该整形系统设计简单 , 效率高 , 具有很高的应用价值 。
基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (60576041)
在本实验中 , 首先使用快慢轴压缩透镜压缩快 慢轴两个方向的发散角 , 然后采用双面分区镀膜的 平面反射镜进行光束重排 , 通过选择 合适的入射 角 , 将压缩后 的 LDA 慢轴 方向的光 束分为 7 束 , 重排后缩小两者之间的差别以提高输出光的光束质 量 , 使其能被耦合进入芯径400 μm 、 NA 为 0.22 的 光纤 , 整体结构简单 , 装调容易 , 实现整体整形效 率 95.2 %。
长 , 由于占空比和出光间距不同 , 单个 LDA 一般
有 19 或 25 个发光单元 , 连续工作时出光功率20 ～
60 W 。对 LDA 而言 , 快轴和慢轴两个方向的 BPP
值显著不同 , 差别一般在 900 ～ 1 000倍 。
光纤能 容 纳的 光 束也 用 BPP 表示 , 以 芯 径
400 μm , 数值孔径 NA =0.22 的光纤为例的光束参
Key words :semiconductor diode laser ;beam-shaping ;plane mirrors with both sides coated ;high
b rightness EEACC :4320J
0 引言
为了实现 LDA 的光纤耦合输出 , 需要解决两 个方面的问题 , 一是压缩 LDA 光束在快慢 轴方向 上较大的发散角 ;二是要减小 LDA 在快慢 轴方向 上的光束质量差异 , 国内外都对此进行了大量的研 究[ 1-2] , 提出了很多种整形方法 , 例如反转镜法[ 3] 、 阶梯 反 射 镜 法[ 4-5] 、 光 纤 合 束 法[ 6-7] 、 双 反 射 镜 法[ 8-9] 、 多棱镜阵列法[ 10] 、 微片棱镜堆法[ 11-12] 等 。 其中光纤合束法是目前商用产品采用最多的方式 , 但其结构特点决定了其较低的输出光束亮度 , 其他 方法虽可实现高亮度激光输出 , 但结构复杂 , 加工 及装调时难以控制精度 , 导致成本高 、 实用性差 。