半导体激光器光束准直系统设计
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1 高斯光束远场特性的分析和倒置望远镜方法的否定
激光的物理本质是光的受激辐射放大 ,不论激光器的稳定腔采用什么结构 ,沿 z 轴方向传播的都是高 斯光束. 高斯光束及其参数如图 1 所示[8] :
Ξ 收稿日期 :2003205229 基金资助 :中国科学院西安光学精密机械研究所所长基金 (79802038) 作者简介 :王 (1979 - ) ,男 (汉族) ,中国科学院硕士研究生.
不采用 ;当 C1 = 0. 001 时 , P0 为 - 0. 112 ,该值与计算的 P0 最小值比较接近 ,所以采用. 此时的玻璃组合为பைடு நூலகம்
F3 ( nc 取 1. 611 59) 和 K9 ( nc 取 151 389) ,查相关表格[11] ,可得组合双胶镜的各参数为φ1 = - 1. 330 909 , A
w ( z) = w0
1
+ ( z )2 f
=
w0
1 + (πλwz20) 2
(1)
可见 ,光斑半径随坐标按双曲线的规律扩展 ,在 z = 0
处 , w ( z) = w0 ,达到极小值 ; ② 基模高斯光束的相移
特性由相位因子
<00 ( x , y , z)
=
k(z
+
r2 2R
)
-
arctan
z f
Abstract : In order to solve the problem of big divergence angle of laser diode beam ,the characteristics of Gauss beam in far field is analyzed and it is concluded that the typical way of inversing telescope is out of the question. The idea to use lenses assembly is presented. To collimate the beam of 5 mW laser diode ,an optic system including two groups and three pieces of lens is desinged by PW method and ODP2 optic design software. The beam can be collimated satisfactory because the aberration is much little. Key Words : laser diode ;beam collimating ;optic design ;PW method
= 2. 427 712 , K = 1. 713 856 , Q0 = 5. 686 529 , P0 = - 0. 539 689 , W0 = - 0. 234 581. (5) 确定形状系数 Q
Q = Q0 ± ( P ∞ - P0) / A = 5. 804 871 5 或 5. 568 186 5
SⅡ = 0
(9)
即
∑S Ⅰ = h4 <3 P ∞ = 0
(10)
∑S Ⅱ = J h2 <2 W ∞ = 0
(11)
由此可得基本象差参量 P ∞ = 0 , W ∞ = 0.
(3) 计算 P ∞的极小值 P0
因为 P0 = P ∞ - P ( W ∞ - W0) 2
将激光器出射面放置在距离光组 L1 为 10 mm 的位置 ,则 l1 = - 10 mm ,令 L1 、L2 的焦距 f′1 、f′2 及间距 分别为 15 mm、35 mm、5 mm ,由半导体激光器 GJ7830Y的光束参数和三角关系可得光组 L1 的通光口径 D1 、 光组 L2 的通光口径 D2 、系统焦距 f′分别为
1 42 西 安 工 业 学 院 学 报 第 24 卷
2 光束准直系统设计
以一种常用的双异质结半导体激光器(型号为 GJ7830Y) 其各项参数如下 :光源尺寸为 0. 42 ×0. 42 mm2 ,发散 角θ″为 10°,θ⊥为 24°,输出功率 P0 为 5 mW ,峰值波长λp 为 0. 78μm. 因为系统选用小功率半导体激光器 ,其出 射光束可近似按几何光束处理. 设计组合透镜的光路图如图 3 所示.
D1 = 4. 252 mm D2 = 4. 962 mm f′= 11. 67 mm
光组 L1 采用单透镜 ,玻璃材料采用 K12 ,其折射率 nc = 1. 530 67 (因为激光单色性好 ,所以只考虑一种色 光) . 由于单透镜结构较为简单 ,这里采用一组经验公式进行设计 ,并由初级象差理论可得[9] :
第 24 卷 第 2 期 西 安 工 业 学 院 学 报 Vol124 No12 2004 年 6 月 JOURNAL OF XIπAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY June 2004
文章编号 : 100025714 (2004) 0220140204
激光器是所有激光器中光束散角最大的一种 ,在实际
应用中对准直度要求又很高 ,经常要求准直后的发散
角是准直前的百分之几甚至千分之几 ,所以会使准直 倍率 M′取值很大 ,将直接导致光学系统的某些结构参
数过大 (如 L2 的口径和焦距) ,甚至不切实际 ,因此 ,半 导体激光器光束准直系统不能采用传统的倒置望远镜
(1) 选型 即采用一个凸透镜和一个凹透镜胶合成胶合型合适 ,主要校正球差和正弦差.
(2) 定基本象差参量 根据设计要求 ,设象差的初级量为零 ,则按球差 、正弦差的初级象差为
∑ δL′ = L′- l′ = - (2 n′1kμ′k )
S Ⅰ1 = 0
(8)
∑ K′S K = Y′S - Y′Z = - ( 2 n′1kμ′k )
Design of optics system for laser diode beam collimation
WANG Lin1 ,2 , SHI Huan-f ang3 , WANG Zhong- hou1 , W EI Ming-zhi1
(1. Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics ,Chinese Academy of Science ,Xi’an 710068 ,China ; 2. Chinese Academy of Science ;3. Xi’an Institute of Technology)
(12)
双胶镜的后片和外界接触 ,应该有较好的化学稳定性和较高的硬度 ,所以选用冕牌玻璃 ,因此取 W0 = - 0. 2 ,
并取 P = 0. 85 ,代入 (12) 式得 P0 = - 0. 034.
(4) 根据 P0 和 C1 查找玻璃组合 ,当 C1 = 0 时 , P0 为 0. 025 ,该值与计算的 P0 最小值相差较远 ,所以
C1
=
2
(n n
+ 1) +2
V
+
2
(
( n
2 n + 1) + 2) ( n
n -
1)
<
(6)
C2
=
2
(n n
+ 1) +2
V
+
2
( (
2 n
n+
1) 2) (
n n
-
4 1)
<
(7)
式中 : C1 为第一面曲率半径
r1
的倒数
;
C2
为第二面曲率半径
r2
的倒数 ;
V
取
1 l
,<=
f1′,把各量代入 (6)
(3)
Fig. 1 Gaussian beam and the parameters
由 (3) 式可以看出 ,对 w0 为有限大小的高斯光束 ,其远
场发散角不可以为 0 ,所以光学系统只能改善高斯光束的方向性 ,而不能完全消除其远场发散角.
通常压缩高斯光束发散角的方法是利用倒置望远镜系统[8] ,如图 2 所示 :
(2)
所决定. 它描述高斯光束在点 ( x , y , z) 处相对于原点
(0 ,0 ,0) 处的相位滞后 ; ③定义在基模高斯光束强度的
1/ e2 点的远场发散角为
θ0
=
Lim
z →∞
2w( z
z)
λ
λ
= 2πw0 = 0. 636 7 w0
λ
λ
= 2 πf = 1. 128 f
图 1 高斯光束及其参数
式、
(7) 式 ,可得
C1 = - 0. 071 098 7 (mm- 1) r1 = - 14. 065 mm
C2 = - 0. 158 382 6 (mm- 1)
r2 = - 6. 314 mm
对于 L2 ,考虑到校正象差的需要 ,此光组采用双胶合透镜. 利用 PW 法[10] (解析法) 设计其步骤如下 :
系统.
图 2 用于准直激光束的倒置望远镜系统 Fig. 2 Inversing telescope for collimating laser beam
图 3 用于准直激光束的组合光学系统 Fig. 3 Modular optical lens for collimating laser beam
倒置望远镜对高斯光束的准直倍率为
M′ = θθ00′=
f2 f1
w ( l) w0
(5)
式中 : θ0 为入射光的发射角 ;θ0′为出射光的发射角.
倒置望远镜系统作为一种传统的激光准直系统 ,
应用于准直气体激光器 (如 He-Ne 激光器) 光束确实是
有效的 ,但对于半导体激光器则不能采用. 因为半导体
第 2 期 王 等 :半导体激光器光束准直系统设计 1 41
高斯光束三个的基本性质是 : ①基模高斯光束在横截面内的场振幅分布按高斯函数 exp [ - r2/ ω2 ( z) ]所 描述的规律从中心向外平滑降落. 由振幅降落到中心值的 1/ e 的点所定义的光斑半径为
图 2 中 L1 为一短焦距透镜 ,其焦距为 f 1 ,当满足条
件
f1 ν l
时 ,它将物高斯光束聚焦于后焦面上 ,得一极小光斑
w′0
=
λf 1 πw ( l)
(4)
式中 : w ( l) 为入射在 L1 表面上的光斑半径. 由于 w′0 恰好落在长焦距透镜 L2 的前焦面上 , 所以腰斑为 w′0 的高斯光束将被 L2 很好地准直.
半导体激光器光束准直系统设计Ξ
王 1 ,2 , 施浣芳3 , 王忠厚1 , 韦明智1
(1. 中国科学院 西安光学精密机械研究所 ,西安 710068 ;2. 中国科学院 ;3. 西安工业学院)
摘 要 : 为了解决半导体激光器出射光束发散角大的问题 ,对高斯光束远场性能进行了分析 ,得出不能采用 常规的倒置望远镜方法实现半导体激光器光束准直的结论. 针对一种 5 mW 半导体激光器 ,提出使用组合透 镜的方法使其实现光束准直. 运用光学设计的 PW 方法 ,使用 ODP2 光学设计软件 ,设计了两组三片式组合透 镜构成的光束准直系统 ,经过象差检验 ,准直效果好. 关键词 : 半导体激光器 ;光束准直 ;光学设计 ;PW 方法 中图号 : TN248. 4 文献标识码 : A
半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的一类激光器 ,通常具有积小 、重量轻 、使用方便等特点 , 在光通讯 、光存储 、激光加工等领域有广泛的应用前景. 由于半导体激光器采用非对称激活通道 ,由端面发 射的激光束具有较大的发散角 ,在平行及垂直方向的全角发散角分别在θ″= 10°～20°和 θ⊥ = 30°～60°范 围[1] . 因此在半导体激光器的实际应用中 ,光束准直几乎是不可缺少的步骤. 综合国内外对半导体激光器 光束准直方法的报道 ,可归纳为 : ①单透镜法[2] ; ②组合透镜法[3] ; ③渐变折射率透镜法[4] ; ④ 液体透镜 法[5] ; ⑤反射法[6] ; ⑥衍射法[7]等. 本文研究的目的是兼顾结构复杂程度和准直能力 ,设计一组结构简单 而且准直效果较好的光学系统 ,对小功率半导体激光器 ( P0 ≤5 mW) 光束进行准直. 上述方法中第 1 种方 法准直效果差 ,第 3～7 种方法结构过于复杂 ,只有组合透镜法既可以保证一定精度的准直效果 ,同时避免 过于复杂的结构. 所以本文采用组合透镜法 ,最终设计出两组三片式透镜准直系统.
激光的物理本质是光的受激辐射放大 ,不论激光器的稳定腔采用什么结构 ,沿 z 轴方向传播的都是高 斯光束. 高斯光束及其参数如图 1 所示[8] :
Ξ 收稿日期 :2003205229 基金资助 :中国科学院西安光学精密机械研究所所长基金 (79802038) 作者简介 :王 (1979 - ) ,男 (汉族) ,中国科学院硕士研究生.
不采用 ;当 C1 = 0. 001 时 , P0 为 - 0. 112 ,该值与计算的 P0 最小值比较接近 ,所以采用. 此时的玻璃组合为பைடு நூலகம்
F3 ( nc 取 1. 611 59) 和 K9 ( nc 取 151 389) ,查相关表格[11] ,可得组合双胶镜的各参数为φ1 = - 1. 330 909 , A
w ( z) = w0
1
+ ( z )2 f
=
w0
1 + (πλwz20) 2
(1)
可见 ,光斑半径随坐标按双曲线的规律扩展 ,在 z = 0
处 , w ( z) = w0 ,达到极小值 ; ② 基模高斯光束的相移
特性由相位因子
<00 ( x , y , z)
=
k(z
+
r2 2R
)
-
arctan
z f
Abstract : In order to solve the problem of big divergence angle of laser diode beam ,the characteristics of Gauss beam in far field is analyzed and it is concluded that the typical way of inversing telescope is out of the question. The idea to use lenses assembly is presented. To collimate the beam of 5 mW laser diode ,an optic system including two groups and three pieces of lens is desinged by PW method and ODP2 optic design software. The beam can be collimated satisfactory because the aberration is much little. Key Words : laser diode ;beam collimating ;optic design ;PW method
= 2. 427 712 , K = 1. 713 856 , Q0 = 5. 686 529 , P0 = - 0. 539 689 , W0 = - 0. 234 581. (5) 确定形状系数 Q
Q = Q0 ± ( P ∞ - P0) / A = 5. 804 871 5 或 5. 568 186 5
SⅡ = 0
(9)
即
∑S Ⅰ = h4 <3 P ∞ = 0
(10)
∑S Ⅱ = J h2 <2 W ∞ = 0
(11)
由此可得基本象差参量 P ∞ = 0 , W ∞ = 0.
(3) 计算 P ∞的极小值 P0
因为 P0 = P ∞ - P ( W ∞ - W0) 2
将激光器出射面放置在距离光组 L1 为 10 mm 的位置 ,则 l1 = - 10 mm ,令 L1 、L2 的焦距 f′1 、f′2 及间距 分别为 15 mm、35 mm、5 mm ,由半导体激光器 GJ7830Y的光束参数和三角关系可得光组 L1 的通光口径 D1 、 光组 L2 的通光口径 D2 、系统焦距 f′分别为
1 42 西 安 工 业 学 院 学 报 第 24 卷
2 光束准直系统设计
以一种常用的双异质结半导体激光器(型号为 GJ7830Y) 其各项参数如下 :光源尺寸为 0. 42 ×0. 42 mm2 ,发散 角θ″为 10°,θ⊥为 24°,输出功率 P0 为 5 mW ,峰值波长λp 为 0. 78μm. 因为系统选用小功率半导体激光器 ,其出 射光束可近似按几何光束处理. 设计组合透镜的光路图如图 3 所示.
D1 = 4. 252 mm D2 = 4. 962 mm f′= 11. 67 mm
光组 L1 采用单透镜 ,玻璃材料采用 K12 ,其折射率 nc = 1. 530 67 (因为激光单色性好 ,所以只考虑一种色 光) . 由于单透镜结构较为简单 ,这里采用一组经验公式进行设计 ,并由初级象差理论可得[9] :
第 24 卷 第 2 期 西 安 工 业 学 院 学 报 Vol124 No12 2004 年 6 月 JOURNAL OF XIπAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY June 2004
文章编号 : 100025714 (2004) 0220140204
激光器是所有激光器中光束散角最大的一种 ,在实际
应用中对准直度要求又很高 ,经常要求准直后的发散
角是准直前的百分之几甚至千分之几 ,所以会使准直 倍率 M′取值很大 ,将直接导致光学系统的某些结构参
数过大 (如 L2 的口径和焦距) ,甚至不切实际 ,因此 ,半 导体激光器光束准直系统不能采用传统的倒置望远镜
(1) 选型 即采用一个凸透镜和一个凹透镜胶合成胶合型合适 ,主要校正球差和正弦差.
(2) 定基本象差参量 根据设计要求 ,设象差的初级量为零 ,则按球差 、正弦差的初级象差为
∑ δL′ = L′- l′ = - (2 n′1kμ′k )
S Ⅰ1 = 0
(8)
∑ K′S K = Y′S - Y′Z = - ( 2 n′1kμ′k )
Design of optics system for laser diode beam collimation
WANG Lin1 ,2 , SHI Huan-f ang3 , WANG Zhong- hou1 , W EI Ming-zhi1
(1. Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics ,Chinese Academy of Science ,Xi’an 710068 ,China ; 2. Chinese Academy of Science ;3. Xi’an Institute of Technology)
(12)
双胶镜的后片和外界接触 ,应该有较好的化学稳定性和较高的硬度 ,所以选用冕牌玻璃 ,因此取 W0 = - 0. 2 ,
并取 P = 0. 85 ,代入 (12) 式得 P0 = - 0. 034.
(4) 根据 P0 和 C1 查找玻璃组合 ,当 C1 = 0 时 , P0 为 0. 025 ,该值与计算的 P0 最小值相差较远 ,所以
C1
=
2
(n n
+ 1) +2
V
+
2
(
( n
2 n + 1) + 2) ( n
n -
1)
<
(6)
C2
=
2
(n n
+ 1) +2
V
+
2
( (
2 n
n+
1) 2) (
n n
-
4 1)
<
(7)
式中 : C1 为第一面曲率半径
r1
的倒数
;
C2
为第二面曲率半径
r2
的倒数 ;
V
取
1 l
,<=
f1′,把各量代入 (6)
(3)
Fig. 1 Gaussian beam and the parameters
由 (3) 式可以看出 ,对 w0 为有限大小的高斯光束 ,其远
场发散角不可以为 0 ,所以光学系统只能改善高斯光束的方向性 ,而不能完全消除其远场发散角.
通常压缩高斯光束发散角的方法是利用倒置望远镜系统[8] ,如图 2 所示 :
(2)
所决定. 它描述高斯光束在点 ( x , y , z) 处相对于原点
(0 ,0 ,0) 处的相位滞后 ; ③定义在基模高斯光束强度的
1/ e2 点的远场发散角为
θ0
=
Lim
z →∞
2w( z
z)
λ
λ
= 2πw0 = 0. 636 7 w0
λ
λ
= 2 πf = 1. 128 f
图 1 高斯光束及其参数
式、
(7) 式 ,可得
C1 = - 0. 071 098 7 (mm- 1) r1 = - 14. 065 mm
C2 = - 0. 158 382 6 (mm- 1)
r2 = - 6. 314 mm
对于 L2 ,考虑到校正象差的需要 ,此光组采用双胶合透镜. 利用 PW 法[10] (解析法) 设计其步骤如下 :
系统.
图 2 用于准直激光束的倒置望远镜系统 Fig. 2 Inversing telescope for collimating laser beam
图 3 用于准直激光束的组合光学系统 Fig. 3 Modular optical lens for collimating laser beam
倒置望远镜对高斯光束的准直倍率为
M′ = θθ00′=
f2 f1
w ( l) w0
(5)
式中 : θ0 为入射光的发射角 ;θ0′为出射光的发射角.
倒置望远镜系统作为一种传统的激光准直系统 ,
应用于准直气体激光器 (如 He-Ne 激光器) 光束确实是
有效的 ,但对于半导体激光器则不能采用. 因为半导体
第 2 期 王 等 :半导体激光器光束准直系统设计 1 41
高斯光束三个的基本性质是 : ①基模高斯光束在横截面内的场振幅分布按高斯函数 exp [ - r2/ ω2 ( z) ]所 描述的规律从中心向外平滑降落. 由振幅降落到中心值的 1/ e 的点所定义的光斑半径为
图 2 中 L1 为一短焦距透镜 ,其焦距为 f 1 ,当满足条
件
f1 ν l
时 ,它将物高斯光束聚焦于后焦面上 ,得一极小光斑
w′0
=
λf 1 πw ( l)
(4)
式中 : w ( l) 为入射在 L1 表面上的光斑半径. 由于 w′0 恰好落在长焦距透镜 L2 的前焦面上 , 所以腰斑为 w′0 的高斯光束将被 L2 很好地准直.
半导体激光器光束准直系统设计Ξ
王 1 ,2 , 施浣芳3 , 王忠厚1 , 韦明智1
(1. 中国科学院 西安光学精密机械研究所 ,西安 710068 ;2. 中国科学院 ;3. 西安工业学院)
摘 要 : 为了解决半导体激光器出射光束发散角大的问题 ,对高斯光束远场性能进行了分析 ,得出不能采用 常规的倒置望远镜方法实现半导体激光器光束准直的结论. 针对一种 5 mW 半导体激光器 ,提出使用组合透 镜的方法使其实现光束准直. 运用光学设计的 PW 方法 ,使用 ODP2 光学设计软件 ,设计了两组三片式组合透 镜构成的光束准直系统 ,经过象差检验 ,准直效果好. 关键词 : 半导体激光器 ;光束准直 ;光学设计 ;PW 方法 中图号 : TN248. 4 文献标识码 : A
半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的一类激光器 ,通常具有积小 、重量轻 、使用方便等特点 , 在光通讯 、光存储 、激光加工等领域有广泛的应用前景. 由于半导体激光器采用非对称激活通道 ,由端面发 射的激光束具有较大的发散角 ,在平行及垂直方向的全角发散角分别在θ″= 10°～20°和 θ⊥ = 30°～60°范 围[1] . 因此在半导体激光器的实际应用中 ,光束准直几乎是不可缺少的步骤. 综合国内外对半导体激光器 光束准直方法的报道 ,可归纳为 : ①单透镜法[2] ; ②组合透镜法[3] ; ③渐变折射率透镜法[4] ; ④ 液体透镜 法[5] ; ⑤反射法[6] ; ⑥衍射法[7]等. 本文研究的目的是兼顾结构复杂程度和准直能力 ,设计一组结构简单 而且准直效果较好的光学系统 ,对小功率半导体激光器 ( P0 ≤5 mW) 光束进行准直. 上述方法中第 1 种方 法准直效果差 ,第 3～7 种方法结构过于复杂 ,只有组合透镜法既可以保证一定精度的准直效果 ,同时避免 过于复杂的结构. 所以本文采用组合透镜法 ,最终设计出两组三片式透镜准直系统.