柱透镜和弯月透镜实现半导体激光器光束整形_支洪武

第３８卷第２期２　０　１　２年３月
光学技术
ＯＰＴＩＣＡＬ　ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ
Ｖｏｌ．３８Ｎｏ．２
Ｍａｒｃｈ　２０１２
文章编号：１００２－１５８２（２０１２）０２－０２３６－０４
柱透镜和弯月透镜实现半导
体激光器光束整形＊
支洪武，孙文军，孙京南，李孟阳，赵丽萍，李娟
（哈尔滨师范大学物理与电子工程学院，黑龙江哈尔滨１５００２５）
摘　要：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。

关键词：激光器；望远系统；远场发散角；偏心柱透镜
中图分类号：Ｏ４３６ 文献标识码：Ａ
Ｂｅａｍ　ｓｈａｐｉｎｇ　ｏｆ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｌａｓｅｒ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ
ｍｅｎｉｓｃｕｓ　ｌｅｎｓ　ａｎｄ　ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ　ｌｅｎｓ
ＺＨＩ　Ｈｏｎｇｗｕ，ＳＵＮ　Ｗｅｎｊｕｎ，ＳＵＮ　Ｊｉｎｇｎａｎ，ＬＩ　Ｍｅｎｇｙａｎｇ，ＺＨＡＯ　Ｌｉｐｉｎｇ，ＬＩ　Ｊｕａｎ
（Ｈａｒｂｉｎ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００２５，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｌａｓｅｒ，ｂｅａｍ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｌａｓｅｒ　ｉｓ　ｄｅ－ｓｉｇｎｅｄ．Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅ　ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ　ｌｅｎｓ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ａｌｉｇｎ　ａｎｄ　ｄｅｆｌｅｃｔ　ｔｈｅ　ｂｅａｍ　ｓｐｒｅａｄ　ａｌｏｎｇ　ｔｈｅ　Ｙａｘｉｓ．Ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｌａｓｅｒ　ｓｐｒｅａｄ　ａ－ｌｏｎｇ　Ｘａｘｉｓ　ｉｓ　ａｌｉｇｎｅｄ　ａｎｄ　ｅｘｐａｎｄｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ　ｌａｓｅｒ　ｂｅａｍ　ｉｓ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ｍｅｎｉｓ－ｃｕｓ　ｌｅｎｓ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｂｅａｍ　ｓｈａｐｉｎｇ，ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｂｅａｍ　ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ　ａｎｇｌｅ，ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｅａｍ．Ｕｓｉｎｇ　ＺＥＭＡＸｓｏｆｔｗａｒｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｏｕｔｐｕｔ　ｂｅａｍ　ａｌｏｎｇ　ｔｈｅ　Ｘａｘｉｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　Ｙａｘｉｓ　ｉｓ４．９２２ｍｒａｄ　ａｆｔｅｒ　ｐｌａｓｔｉｃ，ｓｐｏｔ　ｄｉａｍｅｔｅｒ　ｉｓ　１．２７０７ｍｍ，ｔｏｔａｌ　ｌｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　６５．６６１８ｍｍ，ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｄｉａｍ－ｅｔｅｒ　ｏｆ　ａｌｌ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｉｓ　２０．５２ｍｍ．Ｂｏｔｈ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｏｕｔｐｕｔ　ｂｅａｍ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｂｅｔｔｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ｓｉｍｉｌａｒｐｒｏｄｕｃｔｓ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒｓ；ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ　ｓｙｓｔｅｍ；ｆａｒ　ｆｉｅｌｄ　ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ　ａｎｇｌｅ；ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ　ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ　ｌｅｎｓ
０　引　言
半导体激光器由于非对称光波导的影响，每个激光器输出的高斯光束在垂直于结平面方向（快轴或Ｙ轴）与平行于结平面方向（慢轴或Ｘ轴）会出现较大的差别：
＊收稿日期：２０１１－１０－１４；收到修改稿日期：２０１１－１２－２６ Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｕｈｏｎｇ３２９＠１２６．ｃｏｍ
基金项目：黑龙江省青年基金项目（ＱＣ０６Ｃ０４３）；哈尔滨市青年基金项目（２００６ＲＦＱＸＧ０５５）；黑龙江省教育厅骨干教师项目（１２５１Ｇ０３１）；哈师大预研项目（０８ＸＹＳ－０１）；黑龙江省２０１１年研究生创新科研项目（ＹＪＳＣＸ２０１１－４１４ＨＬＪ）作者简介：支洪武（１９８５－），男，硕士，主要从事半导体激光器设计方面的研究。

通讯作者：孙文军。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｗｊｇｏｏｄ０１３９＠１２６．ｃｏｍ
DOI:10.13741/ki.11-1879/o4.2012.02.018
（１
）沿两方向的发散角较大且不对称；（２
）远场光斑为椭圆形。

以上特点约束了半导体激光器的应用。

目前，很多科研工作者已致力于半导体激光器光束的整形
和耦合研究，如采用圆柱和半圆柱透镜［１］
、自聚焦透镜［２］、光纤耦合输出［３］、非球面透镜［４］、二元光学［
４］
等处理方法。

上述方法各具优点，但设计难度较大，系统也较为复杂。

本文采用柱透镜和弯月透镜等主要元件实现了面型为１００μｍ×１．５μ
ｍ的线阵半导体激光器光束整形，
具有结构简单和输出光斑直径小等优点。

以下分别阐述沿Ｘ轴和沿Ｙ轴的发散
光束处理原理和系统结构。

１　原理和系统设计
１．１　Ｙ轴方向发散光束的准直和偏转
以ＭＬＤ－８０８－５００－Ｔ型半导体激光器为研究对象，该激光器沿Ｙ轴方向和沿Ｘ轴方向的发散角分别为４０°和１２°，设计时为减少器件的个数，使系统结构简单，采用柱透镜实现Ｙ方向的准直和偏转。

柱透镜的结构和偏转原理如图１所示。

图中Ｆ为焦点，Ａ为透镜曲面顶点，Ｃ为其所对应的球心，Ｒ为其曲率半径，Ｚ方向是主光轴方向。

光源Ｌ的偏心距为Ｌｙ，其主光线沿副光轴Ｚ′方向，ｉ和ｉ′是光源主光线在曲面上的入射角和折射角，ｊ为主光线在透镜中的传播方向与副光轴之间的夹角，α是主光线出射方向与光轴的夹角，ｎ０是空气折射率，ｎ１是柱透镜折射率。

图１　柱透镜
由图１可知：
ｊ＝
ｉ－ｉ′，ｓｉｎｉ＝Ｌｙ
Ｒ
根据折射定律：
ｎ０ｓｉｎｉ＝ｎ１ｓｉｎｉ′（１）ｎ１ｓｉｎｊ＝ｎ０
ｓｉｎα（２
）由上述各式得
ｓｉｎα＝ｎ１ｓｉｎｉｎ０１－ｎ０ｓｉｎｉｎ（
）
１
槡２－ｓｉｎｉ　１－ｓｉｎ２
槡ｉ（３
）预先设定：ｎ０＝１，ｎ１＝１．５２６４，Ｌｙ＝２ｍｍ，Ｒ＝１１．５２８４ｍｍ。

可得ｓｉｎα＝０．０９９５，ｔａｎα＝０．
０９５４，经上述处理后，沿Ｙ轴方向的发散光束被准直和偏转。

１．２　Ｙ轴方向发散光束的反偏
为降低系统的口径，使经１．１节所述偏转后的光束传播方向沿Ｚ轴传播，采用如图２所示的反偏器件。

图中α是偏转光束传播方向与Ｚ轴之间的夹角，即图１中的α，也是Σ１面上的入射角，α１是其折射角，θ１和θ２分别是光束在交界面Σ２上的入射角和折射角，ｎ０是空气的折射率，ｎ１和ｎ２分别为反偏器
件的两种不同材料的折射率。

可见θ１＝π／２－（β－α１），θ２＝π
／２－β。

根据折射定律：
ｎ０ｓｉｎα＝ｎ１ｓｉｎα１（４
）ｎ１ｓｉｎθ１＝ｎ２ｓｉｎθ２
（５
）ｔａｎβ＝ｎ２２－ｎ２０ｓｉｎ２
槡α－ｎ１ｎ０
ｓｉｎα（６）由１．１节所述可知ｔａｎα＝０．０９５４，设定ｎ０＝１，ｎ１＝
１．５２６４，ｎ２＝１．７２３０，可确定ｔ
ａｎβ＝０
．
４３３３，即图２所示的偏转器件得以确定。

经反偏器件处理后，沿Ｙ轴发散的光束沿Ｚ轴传播。

图２　光束偏转系统
图３　准直扩束系统
１．３　Ｘ轴方向发散光束的准直扩束
沿Ｘ轴发散光束的准直扩束原理如图３所示。

其中入射光束宽度ｄ＝０．１ｍｍ，ｈ１和ｈ２分别是准直
第２期支洪武，等：　柱透镜和弯月透镜实现半导体激光器光束整形
扩束系统入射光束沿Ｘ轴的入射宽度和出射宽度，ｌ是Ｌ１透镜顶点到出射光束交点的距离，ｆ２是透镜Ｌ２的焦距，入射方向与水平方向夹角为６°，若Ｌ１透
镜焦距大于Ｌ２透镜焦距，就形成了一个倒装的望远系统，利用该系统的扩束功能可获得圆形光斑。

由１．１节和１．２节所述的系统设计可知，
沿Ｘ轴光源Ｌ到望远系统的距离ｄ１＝３７．４ｍｍ，沿Ｙ轴光源Ｌ到偏心柱透镜的距离ｄ２＝２０．０ｍｍ。

可得ｈ１＝ｄ＋
２ｄ１
ｔａｎ６０
＝７．９６１８ｍｍ，ｈ２＝２ｄ２
ｔａｎ２００
＝１４．５５８９ｍｍ。

为获得圆形光斑，系统应满足ｈ１／ｌ＝ｈ２／ｆ２，得ｌ和ｆ２的最小值分别为ｌ＝２．７４１２ｍｍ，ｆ２＝５
．０１２５ｍｍ。

经该节所述处理后，Ｘ方向光束得以准直扩束，并且得到圆形光斑。

１．４　光束压缩
光束压缩系统如图４（ａ）和图４（ｂ）
所示。

其中ｆ１是Σ１面的焦距，ｆ２是Σ２面的焦距，Ｆ是两曲面的共焦点，ｎ０是空气折射率，ｎ１是透镜玻璃的折射率。

图４（ｂ）中的光束压缩原理为：当由１．３节所述的出射光束入射到Σ１面上时，经弯月透镜会聚到焦点Ｆ上，光束经过Σ２面时出射平行光，且光束得到压缩。

表１给出了整形系统各元件的设计参数。

图４　
（ａ）压缩系统立体图；（ｂ
）压缩系统结构。

表１　透镜参数
透镜
Ｘ方向宽度／ｍｍ
Ｙ方向宽
度／ｍｍ
透镜厚度／ｍｍ
曲率半径／ｍｍ柱透镜
１０　１５　５
前曲面：１１．５２８４３
后曲面：ｉｎｆｉｎｉｔｙ反偏透镜
１０　１０　２．４
前曲面：ｉｎｆｉｎｉｔｙ
后曲面：ｉｎｆｉｎｉｔｙＬ１１０　１０　４
前曲面：２．７４１２
后曲面：ｉｎｆｉｎｉｔｙＬ２１０　１０　５
前曲面：５．０１２５
后曲面：ｉｎｆｉｎｉｔｙ弯月透镜
３．１６　３．１６　４．０２
前曲面
：２．５５００
后曲面
：１．０７００
１．５　模拟结果和比较
模拟结果如图５所示。

图５（ａ）给出了软件模拟系统及光路，图５（ｂ）给出了激光器输出点列图，图５（ｃ）给出了激光器整形之后出射光斑点列图。

对于Ｙ方向和Ｘ方向发散角分别为４０°和１２°的半导体激光器来说，经本文的系统处理后发散角降为４．９２２ｍｒａｄ，出射面光斑直径为１．２７０７ｍｍ，
系统总长度为６５．６６１８ｍｍ，器件直径为２０．５２ｍｍ。

从各个参数的比较来看，该系统远远优于已存在的方法和产品。

该设计方法适用于任何发射角度的半导体激光器光束整形。

表２给出了本文的设计系统与同类产品ＭＷ－ＮＩ－８０８型半导体激光器的系统参数比较，可见本文的设计系统优于ＭＷ－ＮＩ－８０８型半导体激光器整形系统。

（ａ）ＺＥＭＡＸ中的系统及光路模拟
　（
ｂ）激光器输出点列图 （ｃ）整形之后输出光斑点列图图５　
光　学　技　术 第３８卷
表２　本文的设计系统与ＭＷ－ＮＩ－８０８型
半导体激光器基本参数的比较
参数ＭＷ－ＮＩ－８０８［１２］本文设计系统
波长／ｎｍ　８０８±３　８０８±３输出功率／ｍＷ　５００　５００
远场发散角／ｍｒａｄ　６．０×６．０　４．９９×４．９９
光束直径／ｍｍ　３．０×４．０　１．２７×１．２７大小（长×宽×高）
／ｍｍ
１３６×５０×４５　６５．６６×２０．５２×２０．５２２　结　论
本文采用柱透镜和望远系统分别对沿Ｙ方向和沿Ｘ方向的发散光束进行了处理，最后采用弯月透镜对输出光束进行压缩。

实验结果表明，本文设计系统输出光束发散角小，输出光斑为圆形，且光斑尺寸小，系统机构简单，优于其他产品和方法。

同时该设计方法具有严格的理论依据，适合于各种线阵半导体激光器的光束整形。

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［１１］ＺＥＭＡＸ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｍａｎｕａｌ［Ｍ］．Ｓｈａｎｇｈａｉ：Ｏｐｔｉｃａｌ　ＲｅｓｅａｒｃｈＳｃｉｅｎｃｅ　Ｌｔｄ，２００７．
［１２］ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．１７ｂａｂａ．ｃｏｍ／ｐ／ｐ９５９０６．ｓｈｔｍｌ．
第２期支洪武，等：　柱透镜和弯月透镜实现半导体激光器光束整形。