基于像散曲面微透镜的半导体激光准直研究

为了实现半导体激光器的光束准直,分析了半导体激光器光束沿快、慢轴方向的准直原理。采用单个半导体激光器作为被准直单元,提出了基于像散曲面微透镜的半导体激光器光束准直方法。讨论了半导体激光器填充因子对像散曲面微透镜准直性能的影响。对填充因子0.5的半导体激光器进行模拟验证。准直后,快轴方向剩余发散角约为0.34,慢轴方向剩余发散角约为2.69。结果表明,像散曲面微透镜不但可以对高填充因子的半导体激光器光束进行准直,而且准直后出射光斑面积小。该研究为高功率半导体激光器堆栈光束的准直提供了可行性方案。     

半导体激光器阵列的“Smile”效应对光束质量的影响

建立"Smile"效应条件下半导体激光阵列近、远场模型,将光纤近场扫描法与高斯光束传输理论相结合,从理论和实验上证明了"Smile"效应值的大小与分布形态共同决定半导体激光器阵列快轴方向实际输出光束质量,获得了不同"Smile"效应条件下半导体激光阵列快轴方向光束参数积Kf值。     

基于半导体激光器堆栈的光纤耦合技术

由于半导体激光器快慢轴方向的光束质量相差较大,为完成半导体激光器堆栈的光纤耦合,通常采用棱镜堆对光束进行整形。提出一种先填充快轴方向暗区、后旋转重排的光束整形技术,基于棱镜内部的全反射和平行平板对光束的偏移作用,在不使用棱镜堆的情况下完成了整个光束的整形过程。所提技术可将8个巴条组成的半导体激光器堆栈耦合到芯径为200μm、数值孔径为0.22的光纤中,输出功率可达544.47 W,系统的光-光转换效率达到85%。     

GaInP/AlGaInP应变多量子阱激光器垂直于结方向上的光束质量研究

用转移矩阵方法对 680nmGaInP/AlGaInP应变多量子阱激光器的波导模式作了分析和计算。根据非傍轴光束传输的矢量矩理论 ,对该激光器垂直于结平面方向上的光束质量因子M2 ⊥ 进行了理论计算 ,结果表明M2 ⊥ 小于 1,和实验结果相符合。这一结果有助于认识半导体激光器垂直于结方向上光束的内在本性     

双曲柱面-平面透镜准直特性分析

基于光线传输理论对双曲柱面-平面透镜准直半导体激光光束的特性进行了研究,并用解析的方法讨论了在有误差时各参数对准直效果的影响,为正确认识、纠正误差,尽可能发挥双曲柱面-平面透镜的准直作用,改善半导体激光器快轴方向光束的质量,提供了理论依据。     

半导体激光器光束匀化系统的光学设计

为了提高半导体激光器光束的均匀性,设计了非球面与微柱透镜阵列相结合的匀光系统。快轴方向利用光线追迹设计非球面匀化透镜;慢轴方向采用微柱透镜阵列对光束进行分割叠加。半导体激光器输出光束通过该匀光系统,在目标面上可以得到能量匀化的方形光斑。利用Zemax光学软件对半导体激光器单管和阵列进行匀化仿真,验证了该匀化系统应用于半导体激光器整形的可行性,得到了目标面动态范围变化对均匀度的影响程度,研究了微柱透镜阵列间距变化及快轴匀化透镜旋转对光斑均匀度的影响。单管和阵列在输出面上的光斑均匀度均大于90%,能量传输效率分别为95.4%和96.2%。该设计结果对半导体激光器光束匀化具有一定的参考价值。     

光束参量积对半导体激光器光束质量的评估

为了解决传统方法中用光束参量积来评估激光光束质量的不足,基于半导体激光器的光束特性,采用了光束参量积M_q2因子来评估半导体激光器光束质量,进行了理论分析和实验验证,取得了快轴准直焦距（FAC）分别为1100μm和600μm的各6个组合光束以及FAC为600μm的10个组合光束的有效焦距长度数据。结果表明,L_//和θ_⊥的变化越明显,光束质量参量积M_q2因子的变化越明显;测量值和计算值之间的误差小于5%。这一结果对高能激光的光束质量评估是有帮助的。     

光纤微透镜用于阵列半导体激光器快轴准直研究

文章采用石英光纤作为柱透镜,进行阵列半导体激光器的快轴准直实验研究,采用ISO推荐的光强二阶矩的方法,测量了发光面为1μm ×150μm的阵列半导体激光器准直后的光束半径、远场发散角、束腰位置、瑞利长度,并根据测量结果计算了光束传输因子(M2 因子) 。以此为基础,研制了耦合光学系统,采用直径200μm柱面透镜准直后,阵列半导体激光器快轴方向发散角可减小到0. 42°,系统准直耦合效率达到89%以上。     

GaInP/AlGaInP应变多量子阱激光器的光束质量

设计了一大角度能将非傍轴光束非截取地变换到傍轴光束的光学变换系统,并应用于测量650 nm GaInP/AlGaInP应变多量子阱激光器的等效光束质量.垂直于结方向上的光束经变换后的第二束腰的位置,要比平行于结方向上的远.实验测得平行于结方向上的等效光束质量因子是1.2;垂直于结方向上的等效光束质量因子是0.6.综合考虑各种因素,实验的测量误差约为±20%.随后,用波导模式理论和非傍轴矢量矩理论对各类激光器的光束质量进行了初步的理论分析和计算,得到光束质量因子小于1的基本条件是发射区的尺寸小于0.3个波长.由于目前变换系统还存在着像差,实验结果与理论计算值尚有一定差距,因此该光学变换系统有待于进一步改进、完善.通过这一研究,有助于半导体激光器有源区尺寸的优化设计和半导体激光器的优化封装,从而有利于半导体激光器性能的综合改善,以提高其使用性能,拓展其应用范围,推动半导体激光器科学技术的研究、应用和发展.(OG15)     

用圆柱透镜准直半导体激光光束的分析

根据光线传输的基本原理 ,讨论了半导体激光器快轴方向发散光束通过圆柱透镜后的准直特性以及光强分布的改变 ,为正确认识和使用微圆柱透镜改善半导体激光快轴方向光束的发散提供了理论依据     

高亮度半导体激光器无输出耦合镜光栅外腔光谱合束

宽面发射半导体激光器的光谱合束技术对发展高功率直接半导体激光光源具有重要意义。光栅外腔光谱合束基于光栅的波长选择特性和外腔半导体激光技术,实现单个合束单元的光谱锁定和所有合束单元的合束输出,输出光束质量与单个合束单元相当,而亮度和功率得到很大的提高。基于无输出耦合镜光栅外腔光谱合束结构,实现了单个半导体激光短阵列的光谱合束,分析了光谱合束的输出光谱、输出功率和光束质量的特性,获得了70 A工作电流下40.8 W的连续输出功率,快轴和慢轴方向的光束质量分别为0.41 mmmrad和9.16 mmmrad （包含95%能量）,相应的电光转换效率为38.4%,亮度高达67.90 MW/（cm2sr）。     

高亮度半导体激光器泵浦光纤耦合模块

采用一种阶梯排列结构的单管激光器合束技术制成了高亮度半导体激光器光纤耦合模块,可用于泵浦掺Yb3+大模场双包层光纤激光器。利用微透镜组对各单管半导体激光器进行快慢轴准直,在快轴方向实现光束叠加,然后通过两组消球差设计的柱面透镜组分别对合成光束快慢轴方向进行聚焦,耦合进入光纤。实验中将6只输出功率为6 W 的976 nm单管半导体激光器输出光束耦合进芯径为105 m、数值孔径为0.15的光纤中,当工作电流为6.2 A 时,光纤输出功率达29.0 W,光纤耦合效率达到80.1%,亮度超过4.74 MW/cm2-str。     

半导体激光阵列“Smile”效应下快轴准直镜的装调

针对3种典型"Smile"形态的半导体激光阵列(LDA)如何装调快轴准直镜的问题,开展"Smile"条件下快轴准直实验定量研究。利用光纤近场扫描法和最小二乘法获得LDA的"Smile"值,采用Zemax非序列模式,模拟"Smile"下LDA的快轴准直。结果表明,LDA的"Smile"大小及形态分布影响准直镜装调位置,透镜光轴需要与LDA匹配,否则会造成光束质量的劣化。这为实际掌握LDA的快轴准直安装提供一种思路,为进一步集成高功率高光束质量的大功率半导体激光器提供了理论和实验基础。     

半导体激光阵列“Smile”效应下快轴准直镜的装调

针对3种典型“Smile”形态的半导体激光阵列(LDA)如何装调快轴准直镜的问题, 开展“Smile”条件下快轴准直实验定量研究。利用光纤近场扫描法和最小二乘法获得LDA的“Smile”值, 采用Zemax非序列模式, 模拟“Smile”下LDA的快轴准直。结果表明, LDA的“Smile”大小及形态分布影响准直镜装调位置, 透镜光轴需要与LDA匹配, 否则会造成光束质量的劣化。这为实际掌握LDA的快轴准直安装提供一种思路, 为进一步集成高功率高光束质量的大功率半导体激光器提供了理论和实验基础。     

500W级半导体激光器光纤耦合输出模块设计

为实现亮度均匀、形状对称、高对称光束质量的高功率半导体激光输出,提出了一种基于mini-bar芯片的高功率光纤耦合系统设计方案,使用Zemax设计了一套针对200 m/NA0.22多模光纤的500 W级光纤耦合输出系统。设计使用反射镜-条纹镜系统实现单列叠层微通道封装芯片快轴方向光束的尺寸压缩,并结合偏振合束技术在不改变光束束参积的条件下将功率提高一倍,并使用慢轴扩束系统压缩慢轴方向发散角,最后采用非球面透镜耦合进目标光纤。在设计的基础上采用4列叠层微通道封装的叠阵（每列包含5个mini-bar芯片）进行了等效验证实验,在注入电流为37 A时得到稳定输出功率506 W的小型化模块,亮度达10.3 MW/（cm2sr）,电光效率为43.0%。设计和实验共同表明,该光纤耦合模块可实现500 W稳定功率输出,可广泛应用在光纤/固体激光泵浦及工业加工等领域。     

圆柱面镜用于端面抽运光束整形误差分析

为了简化二极管端面抽运固体激光器的快轴准直,建立了圆柱面镜和聚焦镜作为二极管快轴准直系统的模型,给出了系统设计方法和关键参数的控制方法,通过仿真论证了以圆柱面镜做二极管激光器快轴校准的可行性,抽运光腰斑的大小和位置可以通过选择柱面镜半径、光源到柱面镜的距离、柱面镜到聚焦镜的距离及聚焦镜焦距来控制.结果表明,当柱面镜半径3mm、光源到柱面镜的距离0.7mm、柱面镜到聚焦镜的距离及聚焦镜焦距5mm时,抽运YAG晶体可以得到大于47%的光-光效率.     

全固化激光器中的耦合系统—透镜导管的简化设计

用几何光学的方法计算了竭地管的慢轴和快轴方法的光束分布，结果表明，用于固体激光器泵浦的高功率激光二极管阵列的连续分布的激光束通过透镜导后可以获得平滑面均匀的光场分布，基于这种分布，我们设计了两种结构的透镜导管，用激光二极管阵列实验测得未镀抗反膜的透镜导管的耦合效率高达８４％。     

一种可用于激光周视探测的发射光学系统设计

为了改善大功率半导体激光器快轴和慢轴两个方向光束质量极不均衡这一光束特性,基于几何光学的折射原理,经过理论分析和软件模拟实验设计了一套发射光学系统,采用柱面镜改变快轴和慢轴的发散度,使输出光束在子午方向上以窄视场发射,在弧矢方向上覆盖±30°的视场,并加入特殊结构的棱镜混光,得到目标区域内能量分布均匀性大于75%的窄带状光束,能量利用率达80%以上。结果表明,单套发射系统可以完成工作距离15m以内的±30°视场探测,6套发射系统构成360°视场完成周视探测。这一结果对于提高激光主动探测的精度和增大其使用范围是有帮助的。