半导体二极管激光器光学分析

1、$%年 $月-./) $%!不产生粒子数反W6,在我们的情况下!脉冲间的振动能级激发有效图！不同成份的0 - V 0 Q 0【1 Q.O IU0.0150.0200.025#$%& $% 混合气体的复合放电抽运时的效率的相对增量与纳秒源功率！)*与自持放电功率！比值的关系地支持自持放电“因此!在自持放电上叠加纳秒电短脉冲是提高横向自持放电# 激光器抽运效率有前途的方I而 无需改变它的结构这可以提高激 光效率并在使用高含量氮的无氦 混合气体中用简单电极非分段 电极8工作时没有放电收缩在这 种情况下！改善了激光器的工作特效率增大！增量达到001由图# 和图2可以看岀！在脉冲电离情况 下!使用氮含量

2、大的混合气体是有生电离！在非自持放电中不会发 性#增大了电流调节范围简化了 生”如果复合非自持放电中电脉冲 放电点燃并在大电流时提高了放 重复率较低！在某时间间隔内电子 电的稳定性和均匀性利的在自持放电中！脉冲间也发密度会降低到这种程度！以致34$参考文献!#$%& (+ * $ *370#&- 6 8+ 9$:02&-.)+ ;& # $%&;-03: &-0? #2=7&320+*9:#+ -;*0!92 60+:&- . A+ B012 &- . C) ;-03: &-0? #2=7&320+*9+ .;#!#20+ !*9:+ 7*8;20 .0$#?2 E F+ ;&-+7D32$L

3、 / .+ )012$3 / .) ()(! *99+ +,0#0%白光编译)*+,-.!/&提要 /.AB ,) CD(!99年诞生在美国康涅狄格州的纽黑文从加州理工学院毕业后进入通用电器研究发展中心工作9?$年!CD(在半导体结中实现了粒子数反转！创建了第一台半导体结激光器这种器件!根据特殊设计的EFG结!用电流将电子直接注入结中运行！因此允许从紧凑的发射源以高效率产生相干光 用于如3H$H&H显示器$激光打印机和光纤通讯系统等领域当今!以CD(原始思想工作的二极管激光器!广泛地应关键词半导体二极管激光器EFG结 应用+引言本文将描述二极管激光器发 射光束的基本特性！讨论分析和调整这种光束

4、的方法”用一对柱面透 镜将光束准直和成形是一种简单 灵活的方法！不仅可以用于二极管 激光器！而且也可用于光纤发射的 光束$二极管激光器特性半导体二极管激光器结构如 图“所示!它由增益层7仅几十个纳 米厚8和包围它的导向层组成！导向 层起限定激光模式作用“导向层折 射率略大于周围区域 7基质和盖板8 折射率!通过内全反射限定激光模 式“通过几个微米宽的金属条状正 电极注入电流！由结对面的基板 7接 地电极8收集“在正电极底下的粒 子数反转和增益最强！沿*轴随着 距电极中心线距离增加！增益逐渐向侧面变弱“在增益导向激光器 中！这种增益渐变对侧向光束限定 是很重要的“为比较起见！在折射率导向激光器中

5、！将导波带相邻区 域选择性地刻蚀掉！然后以低折射 率覆盖材料代替“ 一般地说！增益 层有高吸收的区域！不直接在电极 底下！因此经受的抽运弱！或完全无抽运“除了杂质和界面上的散射 损失外！导向层基本是透明的！基收稿日期0 $%2F%F! 1994-2008 Chin;i Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, $%年$月-./) $%!图”为限定激光模！用导向层包围激活层组成半导体二极管激光器”通过正电极注入 电流!由在结对面的接地电极收集电流质和覆盖层也是高透明的“图$表示在单横模二极管激 光器0!

6、%123%456前方的强度和相 位分布图“在结平面光束发散角7半高全宽8是”!19! !与结垂直方 向是1:;!在图$上方一行的图08!像散距离7定义在自由空间中水平束腰和垂直束腰之间的等价距离8 是#! 1*%!5 !沿 轴轻微展宽光束！相位 波前发散！其峰？谷变化7即束的边 缘到中心8是*$%!在底行图7. &$%A8!像散距离#!1$;!5光束进一步在水平方向加宽7比无像散时8! 相位分布显示峰？谷变化*2%! 在激光器向前方发射的光束！呈椭圆截面是合理的7由于衍射8! 对于“远小于的情况在激光激活区内产生像散是由于非均匀 增益剖面7沿“轴8的原故“由于 靠 近腔的光轴增益最高！光辐射在

7、腔 中沿！轴传输时！光束向光腔轴产 生(增益聚焦)效应!结果是沿腔轴 比两侧有更强的放大B*C*因而!对应 光束向中心塌陷的趋势！发散相位 剖面自动形成*关于这个性质！下面会详述*另一个感兴趣的二极管激光束性质是它的偏振典型的是线 偏振!其电场平行于结平面这个 性质反映这样的事卖寸于平行于 结的偏振菟即#!8!其增益多少 要比垂直偏振光下文的#8高* 与#相关的导向模在$方向要比与 曲相关的模略为加宽因为加宽模 比紧凑模与增益介质层交叠得少 所以当紧凑模超过阈值并开始产 生激光时加宽模还未达到而且！ 限制电子和空穴在薄激活7层量子 阱8!对#7相对于#8更易使激 发电子和空穴释放出光子并返回基

8、 态实际上#偏振超过# !是两种 效应组合的结果*图# $%& $()二极管激光器！ !%*!+ %!,!在前方的强度-左.和相位-右.的对数平3面图”在极大和极小之间强度变化范围是！ 1!%$ 在图-/&$%4.中!光束没有像散”在图-5&$%6.中！在水平的和垂直的束腰之间像散距离-在自由空间.!二极管激光像散的起源沿“轴增益剖面的非均匀性！ 对波导模具有聚焦作J迫使沿腔 !轴传输的光束自动形成发散的相 位波前用光束传输方7def6#c 研究通过增益介质的光束传输很 容易证明这一点图:76表示典型 二极管激光横截面的增益和损耗 分布*在增益层中间部分的增益最 高沿轴以高斯型下降在远离 中心

9、轴！的区域变为损耗区在沿 腔！轴传输期间光束截面的相位 剖面类似于图7/6所示*其中高折 射率导向层使相位相对于低折射 率基质和盖板超前具有较高折射 率的增益介质红色6使相位更超 刖于导向层7橙色6!但增益层薄寸于限制模沿$轴的贡献显然很小 同时!图：71 :):的介质中波长!在这个环境中 是！ %G%!其中！ 是激光束的自由空明峰:谷变化;7&$!位分布表间波长对于入射到掩模上的均匀 光束其透射强度和相位分布分别 如图:7&$%/所示假设增益介质7 1994-2008 China Academic Journal Ekctronic Publishing House. All riglus

10、reserved, $%! 年 $月图！以光束传输方法#$%&模拟二极管激光束所用的两个振幅相位掩模的剖面(&$%)&表 示掩模*的振幅和相位剖面*( &+%+&相应于掩模,的振幅和相位剖 面增益介质是在 两个-./I厚波导层之间的-.;/|厚的夹层式膜层(&均匀入射光束的透射强度分布”在中心的振幅增益是*.-,/!沿！轴逐渐变到-.0/损耗&值在激活层外！-.00/振幅透过率表示有弱背景损耗)&掩模*的相位1.*,!在激活层内&!在波导层中是/.2!3在基质和盖板中是-! +&掩模,4振幅剖面与 (&相同5的相位！在激活层中心是2./! !在远离轴的激活层内是1.*,! *在导向层中是/.2

11、!在基质和盖板中是-!是在构成导向板的两个%)0! 1厚低折射率层之间%)#0!厚的夹层式膜层“在激活层中心的振幅增益是*)#02每传输%)*!以高斯型沿！轴逐渐变小！同时在“方向保持均匀“ 激活层外的介质背景损耗很小2掩模振幅透射率%)3304!但是在增益 层内和远离中心轴区域 ！光振幅以%)30因子衰减2每传输 %)*! 5 在图67/5中!掩模的相位在激活层内是8)*$!+在两相邻导向层是0)! !而在基底和盖板区是%!这意味着！例如！如果基底和盖板材料的折射率 是#%96)6!则导向层的折射率#*96)!0 !激活层介质的折射率#$96)!:实际上！抽运增益介质使其局 部折射率下降！所

12、以比较实际的相 位掩模应类似于图62;5所示的！其在激活区中心的相位下降到！)0!2相应于#96)!#05相位从这个极小值起沿！轴以高斯型增加！在激活层 的高吸收区达到8)*#!这导致沿！轴反向导向2由于在激活层内折射 率不均匀5在激活层内的高斯相 位剖面迫使激光束沿 ！轴发散！超过 仅由增益剖面产生的发散 #$ %/5所示的 振幅?相位掩模用传输方法的模 拟 结果!确认仅由增益剖面引起的-./) $%!像散然后给岀用图67&$%;5所示的振幅？相位掩模$得到的模拟结 果!揭示折射率反向导向(的增 益介质7由粒子数反转引起5可能进一步增加感应像散)图！上方一行的图表示用掩 模在光束传输方法8%

13、步后的 75强度!7/5强度的对数和7;5相位 图形每步对应在折射率#%96)6的 介质内传输%)!的距离!在本模拟 中总传输距离是 A!B看到的限 制在导向层中的光！仅以微小的分 数值泄漏7即逐渐消失5到基底和 盖 板中“逸岀导向层的光最终以散射 或衍射损失到系统外“在图!7;5 中！沿！轴的峰？谷相位变化为 *8%!相应于几个微米的像散发散 光束图！下方一行的图与上方一 行的类似！不同的是用掩模$得到的“与增益介质无折射率反向导向 情况下比！光束沿！轴略有加宽 图！ 7C5中峰？谷相位变化是*:0!7沿！轴5+对应着比图!7;5情况有 更大像散的发散束图!7D5表示在上述模拟中得 到的光束

14、功率与传输距离$的关系开始光功率下降！因为初始光 束 对波导结构进行自身调整 ！挡掉 了 与波导模剖面不匹配的光然后增 益介质起作用！光功率指数上图2在1-步光束传输方法后的(&强度!)&强度的对数!+&相位图形”在这些模拟中所用振幅 相位掩模*如图!(&$%)&所示”看到的限制在导向层中的光！以弱的逐渐消失的尾部泄漏到基质和盖板中” 在+&中!沿6轴峰谷相位变化为 *1-!下面一行47&8%9&5与上面一行4(&8%+ &5类似!不同的是用掩模,得到的!掩模,如图!(&$%+&所描述在图9&中!峰谷相位沿！轴变化是*:/!图;&表示在光束传输方 法模拟中!光束功率与传输距离的关系垃 1994

15、-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All riglus reserved. hnp:/w干#W上-./) $%!i均匀玻阉)图/用一对柱面透镜准直二极管激光束图用无像差透镜捕获和准直从二极管激光器发出的单横模光束！然后用剪切干涉仪 分析”光束截面中任何相位改变都在剪切干涉图上以条纹形式表现+3.1 小-I+S Ix-imnA/min$%! 年 $月升！因为限定模沿光轴传输“!剪切干涉仪用无像差透镜捕获和准直单横模二极管激光束！然后用剪切干涉仪分析！如图0所示“剪切板产 生两个全同的准直光束的复制束！沿！轴或“轴彼

16、此有相移“同一光 束的两个复制束在观察平面上叠加产生干涉图！显示准直光束的相位结构“在准直镜出射光瞳上的任何相位不均匀性都在干涉图上以强度变化1即条纹2表现“对！ 345%67二极管激光器发 射的8!90!光束!图：;左面 给岀在 位于 %):#$准直透镜岀射光瞳后面 *%77平面上的强度1上图 和相位 该透镜位于距激光束两光腰之间的中点 %3!)477 处!显示的相位 花样 分别对应于像散&3*%!7 !$%!7 !9%!7 -对固定剪切量”!3 %)8771水平方向 和”3$)%771 垂 直方向!图：右方给岀在剪切板观 察窗观测到的强度花样 #从上到下！ 激光器的像散分别为&3%!*%!

17、7!$%!7 和 9%!7 用柱面透镜准直光束用柱面透镜准直二极管激光 束!如图8所示“其中第一个透镜负 责沿快发散轴准直光束！第二个透 镜负责沿慢轴扩束“当发散角度大 时！具有梯度折射率的柱面透镜提 供更好的准直能力！以及对剩余像图#左图$位于图”的准直镜出射光瞳 外$%&平面处的强度上图(和相位” %)#!的透镜位于激光束I%*+，%-&!*/!. *0!1 两光腰之间中点有一个焦距#*!)+&1 右图$在剪切板$*%)/& J%*2)%&1观察窗上的强度花样从 上到下！激光器的像散分别为Li % & !$% & 2% & 和 0% &差的更好修正考虑一具体的例子“波长！ %3 45%67

18、 #!38!#390!+ 像散&3% 的 单横模光束“第一个透镜是半径%3*)077长077柱形棒!它由(1 3第一个透镜将光束沿快轴准直！而第二个透镜将光束沿慢轴展开*)04=*%)%!00; ? %$ 的梯度折 射率材料制成透镜的净孔径! 3 0)%77 !3)$77 激光器前表面 与该透镜第一表面之间的距离是 %)9!577 用折射率(3):0均匀玻 璃制成的平面 柱面第二个透镜与 第一透镜相距%)94877其厚度；沿 光轴方向 是 9)$77!长 077!曲率 半径977!净孔径)077透镜表 面皆涂消反射膜“图5表示在图8平面 柱面透 镜后%)977处的观察平面上计算的 强度和相位图

19、形“透镜对捕获的光功 率约5%A!在观察平面上的均方根波 前像差为B%)4!同样的透镜对1 轻微调整两镜间的距离!在 目前激光束像散情况！可用于准直而不引起波前质量任何退化在光束准直前通过沿光束的 慢轴传播！则柱透镜对能够调节束 截面的椭圆度当然！第二透镜需要的物理参量与希望的准直束的短轴和长轴比有关！但是！原则上任何椭圆度都能达到“这样!柱面透 镜对不仅能将二极管激光器的发散光束准直！而且还能使光束截面整形1特别是成圆形#渐变放大和光束压缩图4表示经渐变棱镜沿！轴扩展光束后！用无像差透镜使二极管 激光束准直这种准直的渐变放大 光束接着用无像差透镜聚焦！其效$,hup:/ki.nei垃 199

20、4-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All riglus reserved.$%年 $ 月-+75O -75h175(5图！ 从图”所示的透镜对射出的激光束# $%&! ()*%!* #%+,!像散！的强 度#._和相位/01图形对本模拟中选择的特殊透镜！光功率透射率2!均方根 波前像差45&!孔径截面上的峰6谷相位差为27!同的无像差透镜将准直$渐变放大的光束聚焦-./) $%!果与最初对准直光束进行聚焦一 样由于激光束发散角在平行和垂 直于结面有很大不同0即!#1!沿！轴的准直光束直径一般比沿 轴的小很多沿！轴扩展光直至 充满聚焦透镜的入射光殲9能得 到本质上比在激光器前表面出现的 亮斑还小的光斑“图*%表示在图2系统几个截 面上的强度和相位计算图激光参 量取%324%5637! !#389!像 散#3%准直镜和聚焦透镜数值孔 径$%