半導(dǎo)體激光器的準(zhǔn)直原理

1.設(shè)計(jì)指標(biāo)

快軸發(fā)散角：

慢軸發(fā)散角：

發(fā)光面尺寸：500

×0.2

經(jīng)發(fā)射系統(tǒng)后達(dá)到以下指標(biāo)：

快軸發(fā)散角：0.5mrad(0.02°左右)

慢軸發(fā)散角：0.5mrad

2.其他參數(shù)確定

(以最大發(fā)散角定義)

準(zhǔn)直后光束口徑為d，則準(zhǔn)直系統(tǒng)焦距為

半導(dǎo)體激光器有源層很薄，在垂直于和平行于結(jié)平面的兩個(gè)方向上發(fā)光面尺寸不同，Y方向遠(yuǎn)小于石方向的發(fā)光面尺寸，LD遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖如圖1所示。由矩孔衍射原理可知，半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布為z、Y兩個(gè)方向上單縫衍射效應(yīng)的疊加，沿z、Y方向中央亮斑的擴(kuò)張與半導(dǎo)體激光器發(fā)光面長(zhǎng)和寬的線度成反比變化。Y方向發(fā)光面尺寸較小，光的衍射效應(yīng)較明顯，衍射圖樣較寬，對(duì)應(yīng)較大的發(fā)散角;x方向發(fā)光面尺寸較大，光的衍射效應(yīng)不明顯，衍射圖樣較窄，對(duì)應(yīng)較小的發(fā)散角，即。因而，LD輸出光束為具有一定像散的橢圓高斯光束。

其中，，。，為x，y方向的束腰半徑。

圖 1 半導(dǎo)體激光器的發(fā)散光束性質(zhì)

4.準(zhǔn)直原理

如圖1 所示，半導(dǎo)體激光器發(fā)出的子午光線先經(jīng)過母線平行于激光束慢軸方向的柱透鏡后變成準(zhǔn)平行光束( 平行光束不可能實(shí)現(xiàn)) 。由于第2 個(gè)柱透鏡M2對(duì)于子午光線的發(fā)散角無(wú)影響，可看作平板玻璃。圖2 顯示弧矢光線經(jīng)過第1 個(gè)透鏡M1時(shí)，光束會(huì)發(fā)生偏移，但不會(huì)影響光束的發(fā)散角，在經(jīng)過第2 個(gè)柱透鏡時(shí)，弧矢光也同樣得到準(zhǔn)直，輸出準(zhǔn)平行光。

FAC: fast axis collimation

SAC: slow axis collimation

5.光源設(shè)置

漸暈系數(shù)VCX=1-tan(15°)/ tan(30°)=0.5359

6.模型建立

以newport公司的SAC和CL透鏡為準(zhǔn)直元件，在zemax中序列模式中建立模型。由于透鏡曲率不知，未優(yōu)化時(shí)，此模型并不能起到將光斑壓縮成圓斑的效果，需進(jìn)一步優(yōu)化。

7.序列模式模擬激光二極管光源——光線模型

7.1不考慮Astigmatism的模擬方法

沒有像散特性時(shí)，假設(shè)激光二極管是點(diǎn)光源，帶有高斯的強(qiáng)度分布，以及指定散角的橢圓分布。物距設(shè)置為100mm。如下圖：

輸入發(fā)散角較大的方向的NA值。

下面將光束改為橢圓。計(jì)算光束投影到入瞳平面上時(shí)，半徑的比值。

漸暈系數(shù)VCX=1-tan(15°)/ tan(30°)=0.5359，即可產(chǎn)生一個(gè)0.5359：1的橢圓型光束。軟件中設(shè)置如下：

效果如下：

查看距離光源100mm位置的照度：

查看距離光源Y截面分布。

可以看到，大約在100×tan(30°)=57.7mm處，其強(qiáng)度降到了1/e2。

查看距離光源X截面分布。

可以看到，大約在100×tan(15°)=26.79mm處，其強(qiáng)度降到了1/e2。

7.2帶有Astigmatism的模擬方法

一般來(lái)說(shuō)，激光器廠商提供的規(guī)格表中不一定提供Astigmatism值，因此通常把激光二極管作為點(diǎn)光源模擬。但如果在實(shí)驗(yàn)室中通過適當(dāng)?shù)姆椒?，可能測(cè)出Astigmatism的值。

如果在非序列模式下，帶有Astigmatism的橢圓形高斯光束可以用Source Diode光源物件來(lái)模擬，而在序列模式中，則可以利用理想圓柱透鏡(Paraxial XY)的設(shè)置，加上點(diǎn)光源來(lái)完成。由于Astigmatism的特性即是X與Y方向的焦點(diǎn)位置不同，因此我們可以利用單方向的理想圓柱透鏡，透過成像公式計(jì)算，改變光束在某一方向上的焦點(diǎn)位置，下面是我們要設(shè)定的系統(tǒng)，我們會(huì)透過Paraxial XY這個(gè)Surface改變光束在Y方向上的發(fā)散角及焦點(diǎn)位置。

虛光腰距出光端面的距離(即像散)，可由下式確定：

(5.1)

式中，各參數(shù)的定義為

λ—波長(zhǎng)

S—有源層寬度

微米。計(jì)算得：

設(shè)定方法如下：

1.光源在x方向半發(fā)散角

，光源在y方向半發(fā)散角

，Astigmatism=t

2.使用下面公式計(jì)算M(放大率)

(理想柱透鏡的屈光能力)：

1

3.輸入NA=sin(θx)=0.26

4.物面到第一面的距離設(shè)置為

5.第一面設(shè)置為光闌面，并設(shè)定面型為Paraxial XY：X power=0;Y power=

6.帶有Astigmatism的光源就設(shè)定好了。此光源在X方向的焦點(diǎn)在第0面，而Y方向的焦點(diǎn)在第一面開始往后位置上。

對(duì)于窄線寬激光器，暫定參數(shù)為：

依據(jù)公式組1，計(jì)算得：

查看焦點(diǎn)位置的照度：

查看距離光源0.1mm位置的照度：

查看距離光源0.2mm位置的照度：

查看距離光源0.3mm位置的照度：

查看距離光源1mm位置的照度：

查看X與Y Cross，結(jié)果如下：

可以看到，X方向的1/e2強(qiáng)度約落在0.26左右，與發(fā)散角正切值tan(15°)=0.268吻合;

Y方向的1/e2強(qiáng)度約落在0.57左右，與發(fā)散角正切值tan(30°)=0.577吻合。

審核編輯：湯梓紅