半导体二极管激光器光学

1、第 !" 卷! 第 # 期&()!*+ ,)$%! 年 $ 月!"#"$%&(-./) $%!不产生粒子数反转5$!26" 在我们的情况下!脉冲间的振动能级激发有效地支持自持放电"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 34#激光器抽运效率有前途的方法!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7非分段电图 ! 不同成份的 "#$%&$%( 混合气体的复合放电抽运时的效率的相对增量与纳秒极8工作时没有放电收缩" 在这种源功率 !)* 与

2、自持放电功率 ! 比值的关系情况下 ! 改善了激光器的工作特效率增大! 增量达到 001" 由图 #生电离 ! 在非自持放电中不会发性 #增大了电流调节范围 $ 简化了和图 2 可以看出!在脉冲电离情况生" 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下!使用氮含量大的混合气体是有重复率较低 !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$参 考 文 献" !"#$%& ( )+ *&#+,"- . /+ )012$3 / .) 456!

3、"9:$+!,;*< $ *"3"70#&- 6 8+ 9$:02&- . )+ ;&<=32$3 . > "# $%&& ;-03:&-0? #"2=7&3>20+ *9:#+ -;*0!92 60+:&- . A+ B012&- . C) ;-03:&-0? #"2=7&3>20+ *9<<+ .;#!#<! C-03D"32& 8 C+ ;701"3$33$2&

4、;- . .+ )&3&:07"- 8 A) #"2=7&:"%3>20+!*9:<+ 7*8;2< 0 .0<$#?2 E F+ ;&<GHD"32& / .+ ;+I7?-J"- 6 6 "# $%&& 456!*99!+/.;#?2? K7""- . .+ >-+7"D"3<2$L / .+ )012$3 / .) ()(! *9<9+ +,0#0%!白光 编译")*+,-.!

5、"/"&提 要 /.AB ,) CD(!"9"9 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" 当今!以 CD( 原始思想工作的二极管激光 器!广泛地应用于如 3H$H&H 显示器$激光打印机和光纤通讯系统等领域"关键词 半导体二极管激光器 EFG 结 应用

6、+ 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 向侧面变弱 " 在增益导向激光器米厚8和包围它的导向层组成!导向 中!这种增益渐变对侧向光束限定层起限定激光模式作用" 导向层折 是很重要的" 为比较起见!在折射射率略大于周围区域7基质和盖板8 率导向激光器中!将导波带相邻区折射率!通过内全反射限定激

7、光模 域选择性地刻蚀掉!然后以低折射式" 通过几个微米宽的金属条状正 率覆盖材料代替" 一般地说!增益电极注入电流!由结对面的基板7接 层有高吸收的区域!不直接在电极地电极8收集 " 在正电极底下的粒 底下 !因此经受的抽运弱 ! 或完全子数反转和增益最强!沿 * 轴随着 无抽运" 除了杂质和界面上的散射距电极中心线距离增加!增益逐渐 损失外! 导向层基本是透明的!基收稿日期0 $%2F"%F!"+1第 !" 卷! 第 # 期&()!*+ ,)$%! 年 $ 月!"#"$%&(-./) $

8、%!束性质是它的偏振态!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实!对于平行于结的偏振光7即 #!8!其增益多少要比垂直偏振光7下文的 #"8高 * 与#"相关的导向模在 $ 方向要比与#!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 " 通过正电极注入生激光时!加宽模还未达到* 而且!电流!由在结对面的接地电极收集电流限制电子和空穴在薄激活层 7量子质和覆盖层也是高透明的"步在水平方向加宽 7比无像散时8!阱8!对 #

9、!7相对于 #"8更易使激发图 $ 表示在单横模二极管激相位分布显示峰?谷变化*2%!"电子和空穴释放出光子并返回基光器 0! %123%456 前方的强度和相在激光器向前方发射的光束!态*实际上 # 偏振超过 #!是两种!"位分布图 " 在结平面光束发散角呈椭圆截面是合理的 7由于衍射8!效应组合的结果*7半高全宽8是 "!19! ! 与结垂直方对于 "远小于 " 的情况" 在激光!"! 二极管激光像散的起源向是 ""1:;!" 在图 $ 上方一行的图激活区内产生像散是由于

10、非均匀0<#$%/8中!显示光束没有像散 !在增益剖面7沿 " 轴8的原故" 由于靠沿 " 轴增益剖面的非均匀性!激光器前方的相位分布均匀" 在中近腔的光轴增益最高!光辐射在腔对波导模具有聚焦作用!迫使沿腔间一行的图0=&$%>8!像散距离7定中沿 ! 轴传输时!光束向光腔轴产! 轴传输的光束自动形成发散的相义在自由空间中水平束腰和垂直生(增益聚焦)效应!结果是沿腔轴位波前* 用光束传输方向7DEF6B#C束腰之间的等价距离 8 是 #! 1比两侧有更强的放大B*C* 因而!对应研究通过增益介质的光束传输很*%!5!沿 "

11、轴轻微展宽光束 !相位光束向中心塌陷的趋势!发散相位容易证明这一点* 图 :7<6表示典型波前发散!其峰?谷变化7即束的边剖面自动形成* 关于这个性质!下二极管激光横截面的增益和损耗缘到中心8是*$%! 在底行图7.&$面会详述*分布* 在增益层中间部分的增益最%A8!像散距离 #!1$;!5" 光束进一另一个感兴趣的二极管激光高 !沿 " 轴以高斯型下降 ! 在远离中心轴 ! 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7红色6使相位更

12、超前于导向层7橙色6!但增益层薄!对于限制模沿 $ 轴的贡献显然很小*同时!图 :7<&+%/6表示的截面强度分布和相位分布确定了以光束传输方法模拟二极管激光使用的振幅?相位掩模剖面" 这种特殊掩模以图 # $%&$() 二极管激光器! !%*!+ "%!,!在前方的强度-左.和相位-右.的对数平#!1%)*! 的间隔放置在折射率 %1:): 的介质中" 波长 ! 在这个环境中面图" 在极大和极小之间强度变化范围是 ! 1!%"$3" 在图-/&$%4.中!光束没有是 ! %G%! 其中 ! % 是激光束

13、的自由空)/0)2(像散 " 在图-5&$%6.中 !在水平的和垂直的束腰之间像散距离-在自由空间. "%7$ )! 沿 0 轴有较宽的光束 ! 和发散的相位花样 ! 从中心到边缘位相变化是间波长" 对于入射到掩模上的均匀7#$!" 在图-8&$%9.图中!像散距离"%#, )!光束进一步加宽!并且相位分布表光束! 其透射强度和相位分布分别明峰:谷变化;7&$!如图 :7<&$%/6所示" 假设增益介质7<第 !" 卷! 第 # 期&()!*+ ,)$%! 年 $ 月!&q

14、uot;#"$%&(-./) $%!图 ! 以光束传输方法 "#$%& 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 -./ 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!-.0

15、0/ 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!在基质和盖板中是 -!像散" 然后给出用图 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 &

16、quot; 在光束传输方法 8% 步后的7>5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" 逸出导向层的光最终以散射或衍射损失到系统外 " 在图 !7;5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

17、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 #*9 6)!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

18、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<6!=" 其余 的掩模与图 62/5中的情况一样" 下面首先给出用图 62>#$ %/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

19、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

20、形" 在这些模拟中所用振幅相位掩模 * 如图 !"(&$%)&所示" 看到的限制在导向层中的光!以弱的逐渐消失的尾部泄漏到基质和盖板中" 在"+&中!沿 6 轴峰谷相位变化为 *1-!" 下面一行 4"7&8%9&5与上面一行4"(&8%+&5类似!不同的是用掩模 , 得到的!掩模 , 如图 !"(&$%+&所描述" 在图"9&中!峰谷相位沿 ! 轴变 化是 *:/!" 图"&表

21、示在光束传输方法模拟中!光束功率与传输距离的关系*:第 !" 卷! 第 # 期&()!*+ ,)$%! 年 $ 月!"#"$%&(-./) $%!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 " 轴彼此有相移"

22、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<给出在位于 %):#$ 准直透镜出射光瞳后面*%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图 # 左图 $位于图 "

23、; 的准直镜出射光瞳%)8771水平方向<和 ""3$)%771垂外 $%&& 平面处的强度上图 (和直方向<!图 : 右方给出在剪切板观相位 " %)#!" 的透镜位于激光束 %*+,%-&. !*/!. "*0"!1两光腰察窗观测到的强度花样#从上到下!之间中点有一个焦距#*!)+&&1"激光器的像散分别为 "&3%!*%!7!右图 $ 在剪切板 $*%)/&&. %*$%!7 和 9%!7"2)%&&1观察窗

24、上的强度花样 " 从" 用柱面透镜准直光束上到下 ! 激 光 器 的像 散 分 别为% &!$% &!2% & 和 0% &图 / 用一对柱面透镜准直二极管激光束"第 一个透镜将光束沿快轴准直 !而 第二个透镜将光束沿慢轴展开*)04=*>%)%!00;?%<$的梯度折射率 材料制成 " 透镜的净孔径 "! 30)%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&

25、gt;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

26、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<"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! 以及对剩余像差的更好修正"# 渐变放大和光束压缩考虑一具体的例子" 波长 ! %3图 4 表示经渐变棱镜沿 ! 轴扩45%6

27、7!#!38!#"390!+像散 "&3% 的展光束后! 用无像差透镜使二极管单横模光束" 第一个透镜是半径 %3激光束准直" 这种准直的渐变放大*)077!长 077 柱形棒!它由 (1<3光束接着用无像差透镜聚焦! 其效$,第 !" 卷! 第 # 期&()!*+ ,)$%! 年 $ 月!"#"$%&(-./) $%!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&q

28、uot; 沿 ! 轴扩展光束!直至充满聚焦透镜的入射光瞳! 则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 系统几个截图 !从图 " 所示的透镜对射出的激光束# $%&!()* !%"!* #%+,!像散 !%-的强面上的强度和相位计算图" 激光参度#.-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!3!均方根量取 " % 324%56!37! !#389! ! 像波前像差 45& !孔径截面上的峰6谷相位差为27!散 #3%" 准直镜和聚焦透镜数值孔径 $%3%):! &3!)266!棱镜对的放大因子 39)9;沿 ! 轴<足够使光束截面圆形化" 图 *% 的顶行表示在激光器前面的光束!第二行表示进入棱镜之前光束的椭圆截面!其纵横比=9)9" 从棱镜对出射的光束呈圆形0见第三行<"最后一行表示聚焦平面上的聚焦斑点#