大面积半导体激光器阵列光束整形研究

　　0　引言

　　大面积半导体激光器阵列(Laser Diode Array,LDA)已经广泛应用于一些大功率行波放大结构中[1-2]。在这些结构中,由于单bar条功率和封装结构的限制,而使得总的发光面积大大超过了工作物质的截面积,这使得对于半导体激光器阵列的缩束整形技术变得十分重要。而导光管(Duct)作为一种较好的耦合器件,具有以下几个优点[3]:(1)耦合效

　　率高,可以达到90%以上;(2)出射光的光斑面积和发散角度可以较好地控制,以保证增益;(3)避免了光的会聚点所导致的严重热损伤;(4)结构简单,便于制作,成本较低。

　　本文对发光面积约40 mm×40 mm的25 kW半导体激光器泵浦阵列的耦合技术进行了介绍,阐述了用导光管进行大面积半导体激光器阵列耦合的方法,以及其结构参数的优化选取。

　　1　大面积半导体激光器阵列导光管整形原理

　　用于半导体激光器阵列整形的空心导光管耦合结构如图1所示。其中最左侧激光器阵列发出的光全部进入到Duct当中,通过在其内壁的多次反射后,从较小的出口出射到工作物质上。Duct的主要参数为出入口大小,长度和侧壁反射率。考虑到实际的工艺问题和制作过程,选用了在石英玻璃上镀银后镀氧化铝保护膜的这种高反射率的基板,可以保证其全角度反射率达到98%以上[4-5]。在将四片这样的梯形反射镜进行粘结后,可以得到如图1中Duct的类似结构。

　　如果从Duct入口向出口观察,可以看到一个由多个小平面“拼凑”形成的椭球面,实际的观察情况如图2所示。实际上,这个椭球面是由于Duct侧壁按照平面镜反射等效展开时,出口不断的扩展叠加所形成的。在展开形成这一椭球面的同时,Duct的入口也会形成一个更大的椭球面,其示意图如图3所示。

　　而当半导体激光器阵列发出的光经过Duct时,所发出的一条光线在发生反射时,就相当于一条贯穿展开结构的射线,如图3中OM和等价光线ON所示。对于从Duct出口射出的光线,一定经过Duct本身的出口或者某个旁边的等效出口,并且穿越侧壁面族的次数就是光线在Duct内部反射的次数。如果等价射线不能经过某个出口,而是从图中的出口等效反射面S1构成的球面外侧射出,则表示光线在Duct中经过多次反射后从Duct的入口回射出去。同样的原理,从LD点发出的光束按照空间发散角α进行传播,在达到出口时,会形成按高斯分布的一个面积范围,如果有部分从S1外射出,则在计算出射功率时,这一部分就需要忽略。如果定义γ为发光点与Duct出口圆的切线夹角,则半导体激光器阵列中的发光点可以分为三类：第一类表示发出的光全部被出口圆所遮挡,其范围为γ>α/2,效率η=1。第二类表示部分被遮挡,其范围为-α/2<γ<α/2,在这部分中每个点的效率为