半导体激光器光束准直技术研究

半导体激光器光束准直技术研究

摘要：相较于其他激光器，半导体具有结构简单、功耗低、操作方便等优点，

且目前已广泛应用于激光领域，例如：激光通信、激光测距等。基于半导体激光

器的基本结构，在垂直于结平面方向上，它发出的光束的发射角大小大约为30o；而在平行于结平面方向上，它的发射角大约为10o。正是由于两者的发射角相差

太大，所以半导体激光器在应用过程中，利用特殊的光学系统对其输出光束进行

准直是非常有必要的。

本文开篇部分主要介绍了半导体激光器的发展现状和准直意义，中间部分主

要讲述了半导体激光器的基本原理与结构分类，最后大概介绍了一些半导体激光

器光束准直方法。

关键词：半导体激光束；准直；整形

一、半导体激光器的发展现状和准直意义

半导体激光器从二十世纪六十年代开始发展，较其他激光器落后几年，如今

半导体激光器的技术已相当成熟。二十世纪七十年代开始，人们重点研究了半导

体激光器的动态特性，使其主要朝着两个方面发展，其一是功率型激光器，主要

以提高光功率为主；其二是信息型激光器，主要以传递信息为主。近年来，人们

也研发出了高功率半导体激光器，其指的是脉冲输出功率在5W以上，且连续输

出功率在100mW以上。二十世纪九十年代，在泵浦固体激光器的作用下，高功

率半导体激光器的研发取得了实质性进展，主要指半导体激光器的连续输出功率

可以达到5W~30W左右，得到了很大的提高。现在，高功率半导体激光器在国内

外的发展已相当白热化，其中国外商品化的大功率半导体激光二极管阵列已达到

千瓦级别，而国内的样品器件要稍微落后一点，但也已达到了600W。

现如今，半导体激光器已广泛应用于各行各业，但是在应用过程中，出现了

一些问题，主要是由于半导体激光器的波导结构造成的。这些问题主要表现在三

个方面：其一，半导体激光束在快轴方向和慢轴方向的发射角之间相差太大，其

中在慢轴方向的发射角大概在10o左右，而在快轴方向上的发射角甚至可以达到60o左右；其二，半导体激光器具有固有像散，即半导体激光器在慢轴和快轴两

个方向上的束腰不在同一地方；其三，半导体激光器的远场的光斑为椭圆形的。

基于这些特点，在那些条件较高的领域，几乎都要利用特殊的光学系统对输出光

束进行准直。

二、半导体激光器的基本原理与结构分类

半导体激光器是利用半导体中的电子光跃迁导致光子受激辐射从而产生的光

振荡器和光放大器的统称。

受激辐射是指若入射光的能量满足式（2-1）且大于带隙能量Eg时，则导带

中的电子将发生跃迁以及价带中的空穴将发生光子辐射。而自发辐射是指没有入

射光的光子发射。式（2-1）如下，

（2-1）

其中，h是普朗克常量，是角频率。

假如系统具有数量较多的电子，那么在热平衡状态下，低能级的电子数小于

高能级的电子数，即电子的能量分布是服从费米-狄拉克分布的，所以基本来讲，

光还是被吸收的。半导体激光束发挥作用主要依靠的是激光辐射，而激光作用的

基本原理就是光放大，其是靠系统的能量分布产生反转而形成的净的光辐射产生的。对于半导体激光器来说，其与别的激光器的基本原理是无本质差别的，且阈

值条件和粒子数反转条件是使其产生相干的、受激光输出的两个基本条件。

现如今，随着人们不断研究半导体激光器的性能，半导体激光器已经发展了

多种结构。常见的典型的半导体激光器的结构包括表面发射激光器、量子阱半导

体激光器和异质结半导体激光器等，其中异质结半导体激光器包括双异质结半导

体激光器和条形激光器两种。这些激光器已逐渐成为各行各业的主要发展力量。

三、半导体激光器光束准直技术

正是由于半导体激光束在慢轴方向和快轴方向上的发射角相差太大，所在在

发展过程中，对光束准直是很有必要的。

常用的半导体激光器光束准直技术有以下几种：

其一是光纤耦合系统。端面泵浦固体激光器目前是该系统的主要应用方向。

此系统的基本原理是线阵激光器发射的光束先从微柱透镜通过，之后压缩垂直于

结平面方向的发射角，然后在光纤线阵中耦合刚刚压缩过的光线，并将在另一端

将光纤弄成圆状，最后，利用组合透镜聚焦光束，使得输出的光斑满足准直条件。

其二是非球面柱透镜准直系统。为了准直半导体激光器光束，将非球面柱透

镜的入射面由平面改为非球面。非球面柱透镜准直系统常用于要求比较高的系统中。虽然客观上来说非球面柱透镜准直系统能实现准直的效果，但是由于此透镜

理论上计算较难，且不易批量实现，使得此系统尚未大量应用。

其三是圆柱透镜系统。圆柱透镜系统以成本较低、实现简单等优点成为半导

体激光器光束准直常用的方法之一。其基本原理是光纤以小孔径产生微圆柱透镜

从而实现垂直于结平面方向上的光束准直。

其四是二元光学整形系统。二十世纪八十年代，二元光学整形系统才开始发

展起来。此系统的设计主要是基于光波的衍射理论，而且这种新型光学元件是基

于相息图和全息图的发展，采用微电子加工技术和计算机设计技术从而产生的。

它的浮雕结构通常有两个或两个以上的台阶深度。由于此系统能够对波前的控制

较易实现，它的发展前景相当广阔。

其五是棱镜组折反射光束整形方法。此准直方法是由美国的一家公司实现的。其基本原理是以棱镜组成的光束整形器的折反射将半导体激光器光束在平行于结

平面方向上依照微镜大小划分为多段并在垂直于结平面方向上愁心排列，从而使

得光束的M2因素在垂直于结平面方向上提高n倍，而在平行于结平面方向上降

低n倍。由于该方法结构简单，实现方便，且准直效果好，目前已被广泛应用。

四、小结

综上，半导体激光器的设计和改进技术日益成熟，且已经广泛应用于不同领域。相较于其他类型的激光器，半导体激光器的基本原理与它们基本相同，但半

导体激光器具有结构简单，成本低廉、易于实现等优点。

正是由于半导体激光器的基本特点，半导体激光器光束准直是十分重要的事情。如今，随着技术的不断进步，半导体激光器光束准直方法多种多样，且各种

方法有着自己独特的优势，使得这些方法在不同领域中发挥自己的作用。

参考文献：

[1]江剑平，半导体激光器[M]，北京电子工业出版社，2000年

[2]卢亚雄，杨亚培等，激光束传输与变换技术，电子科技大学出版社，1999

年

[3]周睿，半导体激光器光束准直技术研究，西安电子科技大学，2007年