半导体激光器单管准直实验研究

　　0　引言

　　半导体激光器由于其效率高、体积小、重量轻等优势[1-2],被广泛地应用于光通信、固体激光器泵浦[3]、医疗激光工业加工、激光显示、扫描等领域。在这些应用中,有时需要采用光纤输出,有时需要圆形光斑,有时需要得到线形光斑,针对各种不同的要求,需要对LD输出光束进行必要的光束整形[4-7]。此外,半导体激光器受制于其外延结构特性,平行和垂直于pn结方向的光束质量相差较大,远场呈现椭圆光斑形状,无法直接使用,也必须进行光束整形。本文通过采用高斯光束ABCD传输矩阵理论,研究了利用平面自聚焦透镜、球面自聚焦透镜和圆柱透镜对LD单管进行准直的效果,通过计算可以方便地找到LD出光面与透镜之间的最佳距离,并对各种透镜下的光斑传输情况进行了实验观察和验证。最后采用自聚焦透镜对LD进行光束整形,使快轴得到了近平行光输出,将LD输出的椭圆形光斑为了线形光斑,与传统圆技术专栏　柱光纤压缩方式相比可以获得更好的准直效果[5],同时由于自聚焦自身的特性,可以使慢轴发散角显著地减小。

　　1　高斯光束的性质

　　用高斯模型来描述LD发射的光束,在其光束可以表示为

　　式中:下标1, 2表示光束处于的不同的空间位置;对于ω1,用ω1x、ω1y分别表示垂直和平行于pn结面的光斑尺寸;对R1,用R1x、R1y分别表示光束在输出面上的垂直和平行于pn结面两个方向上的曲率半径;λ0是光在自由空间的波长。当光束传输一段距离后,可以表示为

　　式中:ω2x、ω2y分别表示垂直和平行于pn结面的光斑尺寸;R2x、R2y是光束在输出面的曲率半径;k2=2πn2/λ0是光束在媒介中的波数。

　　利用傍轴近似,可以应用q参数描述,用q1、q2分别表示平面1和平面2的q参数,q参数与光斑面积ω以及光束的曲率R之间的关系可表示为

　　将光束所经历的光学系统用ABCD矩阵描述,则q1、q2之间具有简单的关系

　　2　自聚焦透镜

　　自聚焦透镜的折射率分布一般可以表述为

　　n2(r)=n20(1-ar2)(5)

　　式中,n0为透镜轴线的折射率。对于两端都是平面的自聚焦透镜的ABCD矩阵在近轴近似下,可以表述为[8-9]

　　式中,z为自聚焦透镜的长度,a为聚焦常数对于一端有球面的自聚焦透镜,其球面的传输矩阵可以表示为

　　式中R为球面镜的曲率半径。经过一段距离d的矩阵可以表示为

　　所以经过一端距离d的光束,经过普通自聚焦传输矩阵可以表示为

　　而经过一端距离d的光束,然后进入头部有球面的自聚焦传输的矩阵可以表示为