半导体激光器光束质量评价方法探讨

针对半导体激光器的结构和光束特点,分析了M2因子的概念与半导体激光器激光本质之间的关系,研究了其局限性, 探讨了激光光束质量的影响因素,提出利用准直代价作为半导体激光器光束质量评价因子,该因子由激光器的结构参数和光束参数有机组合而成,此值越小光束质量越好,越容易准直。新的评价因子即完善了“光参数积”的普适性,又具有针对性。     

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。     

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。     

微光学元件阵列面阵LD光束整形及光纤耦合

采用微透镜阵列组成的快、慢轴准直器件进行高功率面阵半导体激光器阵列光束准直,从而减小其光参数积,进一步采用棱镜阵列对准直光束进行整形,实现两方向光束质量的平衡,使激光束的综合光参数积小于光纤的光参数积,提高光束质量,获得高耦合效率的光纤耦合模块.对5个吧条组成(每个吧条40 W、总输出功率为200 W)的面阵半导体激光器光束进行准直、整形聚焦并耦合到芯径800μm、数值孔径0.22的多模光纤,获得125.4 W的激光输出.     

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。     

光学组合半导体激光器输出光束特性研究

为了评价光学组合半导体激光器的输出光束性能,采用两种方法从理论上分析了光学组合半导体激光器的输出光束的光束传播因子.第1种方法与传统堆栈式半导体激光器的光束质量评价方法类似,通过几何光学得到光束束宽;第2种方法采用管芯光强分布的类高斯模型计算输出光束的二阶矩进而得到光束束宽,最后均得到输出光束的光束传播因子与激光条单元数及激光条包含管芯数的关系.进行了3个激光条组成的光学组合半导体激光器的实验,获得输出功率120W,功率密度209W/cm2,光束平均间距1.1mm,整体光束传播因子M2=197.对比了两种方法及实验结果.结果表明,这两种方法可以用来估算光学组合半导体激光器的输出光束质量.     

大功率半导体激光光源光束整形技术研究

光束质量是半导体激光器应用的最大瓶颈,但是可以利用光束整形技术加以改善。随着半导体激光合束技术的发展,半导体激光光束质量的提高,由于其在效率方面的优势,大功率半导体激光技术得到迅速发展。采用连续输出60 W,转换效率达到57%的880 nm大功率半导体激光bar条,组成20层的半导体激光叠阵,输出功率达到1183 W,通过快慢轴准直及光束整形提高激光器的光束质量,最终实现1 kW功率输出,电-光转换效率超过45.8%,光束质量达到79.3 mm.mrad×81.2 mm.mrad。从而使半导体激光器可直接应用于熔覆、表面硬化等领域。     

双半圆柱透镜准直半导体激光光束

柱透镜被广泛运用于准直半导体激光光束,而普通圆柱透镜准直能力并不高,为了克服这一不足,提出一种新的柱透镜结构:双半圆柱透镜(DHCL);基于光线传输理论导出该结构柱透镜准直激光光束的基本公式并给出数值模拟的结果。理论分析和数值模拟均表明:在用于准直半导体激光器输出光束方面,双半圆柱透镜突破了普通圆柱透镜在最佳准直时对透镜材料折射率的限制,提高了结构设计和材料选择的灵活性;特别是在高折射率条件下,双半圆柱透镜对光束的准直能力远远超过了普通圆柱透镜。理论上可以将半导体激光光束快轴方向发散角压缩到0.1 mrad的量级。     

端抽运DPL中抽运光与谐振腔同轴特性

在端抽运圆棒二极管抽运固体激光器(DPL)中,引入偏离因子来描述抽运光轴线和激光晶体间的同轴程度;并将偏离因子对模式增益和光束质量的影响做了理论分析和模拟,并以光纤耦合半导体激光器端面抽运圆棒Nd:YAG固体激光器进行了相应实验。理论与实验结果表明,偏离因子越小,则低阶模模式增益越大,在模式竞争中占据优势,输出激光的光束质量越好。要获得高增益和光束质量较好的低阶模输出,除了保证恰当的谐振腔结构外,控制抽运光与激光晶体同轴程度也是一个重要的手段。     

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。     

激光束远场能量集中度的评价指标探讨

以常见的三种类型的激光束,即非稳腔产生的环形激光束、稳定腔产生的高斯光束以及多路高斯光束的相干合成光束作为研究和讨论的对象,针对涉及能量集中度的应用,分析了现有各种评价指标的优缺点和适用性,并对评价指标定义中若干关键问题进行了分析计算。结果表明,激光束的亮度或靶目标上光斑能量密度是评价激光系统效能发挥的重要评价参数,该评价指标不仅可以用于衡量同一激光系统的光束质量,也可以客观地评价不同激光系统间性能优劣。     

Low confinement factors for suppressed filaments in semiconductorlasers

Filament formation through self-focusing of light in semiconductor lasers leads to beam quality degradation, as well as lifetime and facet degradation. In this paper, we rederive an expression for the growth rate of sinusoidal perturbations, or filaments superimposed on the steady-state field in a semiconductor laser. We note that while the mode gain decreases with the confinement factor in a linear manner, the gain for filaments decreases far more rapidly. This agrees with recent observations of improved beam quality in broad-area semiconductor lasers with lowered confinement factors. Finally, we describe design rules for low-confinement-factor semiconductor lasers offering low-filamentation and greatly improved beam quality     

半导体侧面抽运板条激光器光束质量优化

为了优化高功率板条激光器的光束质量, 采用提高单侧基模光束的尺寸来限制腔内部分高阶模式振荡的方法, 针对半导体侧面抽运板条激光器, 测量了激光器在抽运状态下水平和竖直方向热焦距, 建立了热透镜等效模型, 并以平-平腔为参考, 设计了水平和竖直方向单侧基模尺寸均会扩大的平-凹腔。验证了对于激光介质截面尺寸固定的板条激光器, 扩大单侧基模尺寸可以限制高阶模式从而优化光束质量, 并提出了进一步优化板条激光器性能的研究方法。结果表明, 当平-凹腔的腔长为370mm时, 输出功率为59.9W, 水平方向M2因子由平-平腔的115.6显著优化至32.9, 竖直方向M2因子由116.4显著优化为60.9。该研究对于板条激光器获得高质量输出及相关应用有实际意义。     

高能非稳腔激光器光束质量评价的探讨

探讨了一种评价高能非稳腔激光器光束质量的方法，对其定义、测量及物理意义作了说明和解释。     

激光二极管光束质量评价方法

讨论了几种常见的光束质量评价方法,并分析了这些方法在对激光二极管光束质量进行评价时的局限性.分析了影响激光二极管光束利用透镜进行准直的难易程度的主要因素,给出了一种新的光束质量评价标准lθ5(l是发光源在平行于结平面方向的长度,θ是光束在垂直于结平面方向的发散角)较好地反映了在实际工程应用中光束准直的难易程度,此值越小光束越容易准直.并且还给出了一个参考值,当光束的lθ5值低于此值时,此光束可以被较好地准直而不引起较大困难.     

Laser primer for fiber-optics users

The basics of semiconductor lasers are reviewed. Specifically, lasers with wavelengths between 1.3 and 1.55 μm, the range most applicable to fiber-optic communications, are discussed. In this range, light experiences lower loss on silica fiber; in addition, 1.3 μm is the wavelength of zero dispersion, where the refraction index and, consequently, the speed of propagation are independent of wavelength. Key properties of semiconductor lasers, including power-current characteristics, beam shape, spectra, modulation, noise characteristics, and reliability, are discussed     

Bessel beams from semiconductor light sources

We report on recent progress in the generation of non-diffracting (Bessel) beams from semiconductor light sources including both edge-emitting and surface-emitting semiconductor lasers as well as light-emitting diodes (LEDs). Bessel beams at the power level of Watts with central lobe diameters of a few to tens of micrometers were achieved from compact and highly efficient lasers. The practicality of reducing the central lobe size of the Bessel beam generated with high-power broad-stripe semiconductor lasers and LEDs to a level unachievable by means of traditional focusing has been demonstrated. We also discuss an approach to exceed the limit of power density for the focusing of radiation with high beam propagation parameter M². Finally, we consider the potential of the semiconductor lasers for applications in optical trapping/tweezing and the perspectives to replace their gas and solid-state laser counterparts for a range of implementations in optical manipulation towards lab-on-chip configurations.     

CCD的非线性响应特性对光束质量测量的影响及修正

在利用电荷耦合器件CCD对激光光束质量测量的过程中,通过对比不同的激光波长,分析了CCD的光电响应非线性特性对光束质量M2因子评价的影响。由于对未进行线性标定的CCD所测得的四种不同波长的激光器的光束束宽值相对比较大,这会对激光光束质量的测量精度带来影响,因此提出了一种新的基于面阵型光电探测器的光电响应标定方法。搭建基于CCD测量法的激光光束质量测量系统,建立高斯型激光光束的近远场传输模型,对激光束在传输方向上不同位置处的焦散廓形进行多次采样,利用统计学方法得到CCD的光电响应线性区间。仿真和实验结果表明:利用CCD光电响应特性的标定结果对图像进行非线性灰度修正,对比国际标准激光光束质量分析仪,所测得的激光光束质量M2因子更加准确且相对误差降低了2.36%。提出的方法可有效提高激光光束质量M2因子的测量精度,对于评价激光光束质量具有重要的应用价值。