基于ZEMAX的半導(dǎo)體激光器勻光設(shè)計

黃 珊，鄧磊敏，楊 煥，段 軍*

(1.華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，武漢430074;2.華中科技大學(xué)武漢光電國家實驗室，武漢430074)

引 言

半導(dǎo)體激光器(laser diode，LD)由于具有電光轉(zhuǎn)換效率高、輸出功率大、體積小、壽命長、可靠性好以及價格低廉等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于照明、醫(yī)療、材料加工等諸多領(lǐng)域［1］。然而，半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量較差，遠場光斑分布呈橢圓高斯型，且存在本征象散。在激光焊接、熔覆及表面熱處理等應(yīng)用中，能量分布不均易導(dǎo)致材料局部溫度過高而影響材料的性能［2］;在光催化領(lǐng)域研究中，紫外激光光源因其一系列優(yōu)點受到重視，利用能量均勻分布的紫外半導(dǎo)體激光器光源能得到均勻的催化效果;在半導(dǎo)體激光治療儀的廣泛應(yīng)用中，輸出能量均勻的光斑可使激光照射的有效治療面積增大，治療效果更顯著。在半導(dǎo)體激光器的很多應(yīng)用中，都對其光束提出了截面圓化和能量均勻化的要求。為了滿足應(yīng)用需求，必須對半導(dǎo)體激光器輸出光束進行整形勻化的處理［3-5］。

目前，高斯光束整形成能量均勻分布的平頂光束方法主要有非球面透鏡組［6］、二元光學(xué)元件、多光束疊加、復(fù)眼透鏡等等。其中，非球面透鏡組的設(shè)計結(jié)構(gòu)最為簡潔，容易實現(xiàn)，光能損失小。FAN［7］和FENG 等人［8］在 FRIEDEN 等人［9］提出的將高斯光束利用非球面透鏡組整形成平頂光束的理論基礎(chǔ)上，通過數(shù)值分析方法得到非球面鏡的面型參量。但是，數(shù)值模擬過程較復(fù)雜，數(shù)值計算存在誤差，并且若要在較遠位置實現(xiàn)勻光效果，需加擴束系統(tǒng)。

作者利用ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件設(shè)計了一套光束整形勻光系統(tǒng)。先實現(xiàn)單管單模LD的準直和圓化，得到近似高斯能量分布的光束，進而通過勻光透鏡組在某一位置實現(xiàn)能量的均勻化，整體設(shè)計簡單，易實現(xiàn)。

1 半導(dǎo)體激光器的光束特性

半導(dǎo)體激光器的有源區(qū)在豎直方向和水平方向的孔徑約束大小不一樣，由于衍射等原因?qū)е赂咚构馐臻g分布的不對稱性。在垂直于結(jié)平面(快軸)的方向上，發(fā)散角一般在20°～40°，光束質(zhì)量接近衍射極限，為基橫模高斯分布;在平行于結(jié)平面(慢軸)的方向上，發(fā)散角一般在8°～15°，光束質(zhì)量很差，為多模厄米-高斯分布。

在ZEMAX中，半導(dǎo)體管沿角度方向上強度分布可用下式表示:

式中，I0為z軸上光強;θx和θy分別是光束與x-z面和y-z面夾角;αx和αy分別為x和y方向上高斯強度1/e2點的遠場發(fā)散角;Gx和Gy分別是x和y方向上的“超級高斯因子”，其值為1時，是典型的高斯分布。

多數(shù)半導(dǎo)體激光器制造商將激光強度為中心強度一半時的角度(半峰全寬角θFWHM)定義為遠場發(fā)散角。于是有:

則有:

由于LD遠場強度分布呈橢圓高斯型，必須經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)的整形后才能實際應(yīng)用。

2 LD整形勻光系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 準直圓化整形鏡的設(shè)計

由于慢軸方向的光束質(zhì)量很差，半導(dǎo)體激光器不易通過組合透鏡法整形為高斯分布的圓光斑，本部分設(shè)計針對的是現(xiàn)有的慢軸方向光束為基模高斯分布的單模LD產(chǎn)品。設(shè)計中采用的LD發(fā)光波長為780nm，發(fā)光區(qū)面積 100μm ×100μm，慢軸(x)方向的發(fā)散角θ∥=10°，快軸(y)方向的發(fā)散角θ⊥=30°(半峰全寬)。由(3)式可得 αx=8.49°，αy=25.47°。在ZEMAX設(shè)計中，光源選擇source diode，發(fā)光管光強分布的“超級高斯因子”為1。

首先采用非球面鏡實現(xiàn)LD快慢軸光束的準直，由于快軸方向的發(fā)散角較大，為了得到良好的準直效果，非球面鏡應(yīng)采用較大相對孔徑的透鏡。設(shè)計中選用了透鏡庫中GELTECH公司的型號為350330的非球面鏡，玻璃型號C0550。然后利用倒置柱面鏡望遠系統(tǒng)對慢軸方向進行擴束，得到高斯圓光斑。擴束系統(tǒng)采用的是伽利略式倒置望遠系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)更加緊湊，適用于大功率系統(tǒng)。倒置伽利略望遠鏡是由兩個凹凸透鏡按光學(xué)間隔Δ=0的方式組合而成。垂軸放大率:

Fig.1 Layout of collimation and rounding system

Fig.2 Energy distribution of beam after shaping a—spot pattern b—energy profile

式中，f1'為凹透鏡的焦距，f2'為凸透鏡的焦距，D為入瞳直徑，D'為出瞳直徑。柱面鏡選用的面型為Toroidal lens。圖1為LD準直圓化結(jié)構(gòu)圖。

圖2為LD準直整形后得到的圓光斑圖樣，近似服從高斯能量分布，束腰半徑約為1.4mm。x方向的遠場發(fā)散角:

式中，wx1為光束傳輸?shù)絲1處的束腰半徑;wx2為光束在z2處的束腰半徑。可得αx=0.4mrad，準直效果很好。

2.2 勻光透鏡組的設(shè)計

經(jīng)過準直整形后，光場空間分布近似服從基模高斯分布，可表示為如下形式:

式中，c為常數(shù)因子，w(z)為z處的光斑半徑，k為波數(shù)，R為波陣面半徑，f為共焦參量。z=0處，光斑束半腰為w。

設(shè)光斑半徑為b，將光斑沿徑向均勻分成M等份，則第N個等份內(nèi)包含的總功率為:

第N個環(huán)形光圈中包含的功率為:

式中，u=b2/w2。將每個環(huán)內(nèi)所包含的功率均勻的投影到像面上，設(shè)第一等份投影的半徑R1=a，則有:

可得出第N個光環(huán)的投影半徑為:

由(10)式可知，可計算出像面上功率密度均勻分布時，入射高斯光束的坐標與像面上位置坐標的對應(yīng)關(guān)系。第一等份投影半徑的大小決定了勻光后光斑的大小。

在ZEMAX序列模式下，采用了兩個偶次非球面鏡，選定第一面非球面鏡的初始結(jié)構(gòu)后，使用“REAY”操作數(shù)，控制不同孔徑高處真實光線的偏轉(zhuǎn)，通過調(diào)控權(quán)重進行優(yōu)化，實現(xiàn)能量的均勻分布。在該位置放置第二面非球面鏡，同時使用“REAY”和“REAC”操作數(shù)，保證勻化光束的準直射出，在某一位置實現(xiàn)最佳能量勻化效果，且在較長距離范圍內(nèi)均有勻化效果。

該系統(tǒng)中影響非球面鏡結(jié)構(gòu)的參量包括高斯光束的束腰半徑、均分份數(shù)、勻化后的光斑大小及最佳位置選取、透鏡的初始結(jié)構(gòu)(含玻璃類型)及優(yōu)化操作數(shù)權(quán)重。由于并無接近的結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)，又加上操作數(shù)繁多，優(yōu)化中使用了ZEMAX的宏編程語言，設(shè)置系統(tǒng)參量和批量添加操作數(shù)，大大提高了效率。

LD整形得到的高斯光斑束腰半徑為1.4mm，選擇勻化后的光斑半徑為3mm，實現(xiàn)勻化的位置離第二面非球面鏡距離為50mm。采用了伽利略式非球面透鏡組合，為一平凹非球面鏡和一平凸非球面鏡，凹凸面的面型參量見表1，玻璃選擇的是常用的BK7。

Table1 Optimized parameters of aspheric lenses

圖3為非序列性(non-sequential)模式下，不同位置的探測器接收到的能量分布情況，依次離第2面非球面鏡距離L為40mm，50mm和60mm，其中圖3b為設(shè)計的能量勻化位置。從圖中可以明顯地看出光強分布的變化趨勢，在設(shè)計的勻化位置前，平均光強高，邊緣光強低;勻化位置后，平均光強低，邊緣光強增大迅速。這是由于勻化光斑大于高斯光斑，光線經(jīng)透鏡向外偏轉(zhuǎn)，傳輸過程中存在一定程度發(fā)散。

Fig.3 Energy profile under non-sequential raytracing

2.3 LD整形勻光設(shè)計結(jié)果及討論

圖4 為LD整形勻光系統(tǒng)在非序列模式中的光線追跡圖，第1面非球面鏡實現(xiàn)快慢軸的準直;第2面和第3面均為柱面鏡，組成倒置望遠系統(tǒng)對慢軸光束擴束，得到一近似高斯光斑;第4和第5面透鏡為非球面鏡，實現(xiàn)勻光設(shè)計;第6面為探測器，探測面上的能量分布。

Fig.4 Layout of shaping and homogenization system

圖5 為LD整形勻光后在L=50mm處得到的最佳勻化效果，圖6為該位置在x方向的光強分布情況。根據(jù)能量均勻度的計算公式:

Fig.5 Spot pattern after shaping and homogenization

Fig.6 Energy profile on x axis

式中，Ei為采樣點數(shù)值,為采樣平均值，n為采樣點個數(shù)。能量均勻度反映了截面內(nèi)的整體光強對平均光強的偏離程度，其值越大，表明能量分布越均勻。LD勻光后的能量變化趨勢仍如圖3所示，均化截面有一個動態(tài)的變化范圍。圖7反映了動態(tài)范圍內(nèi)的能量均勻度情況，均勻截面的動態(tài)范圍大，在10mm范圍內(nèi)能量均勻度可達95%以上。從圖中可以看出，最大能量均勻度在勻光透鏡組的設(shè)計位置之后，在該位置處邊緣光強開始增大，但并未對均勻度造成很大影響;光束經(jīng)兩個非球面鏡勻光準直后仍有點發(fā)散，中間區(qū)域向外發(fā)散程度小，能量相對均勻。設(shè)計的勻化位置后，由于邊緣光強過高，大多應(yīng)用中應(yīng)避免。

Fig.7 Uniformity variation in a dynamic range

設(shè)計中發(fā)現(xiàn)，LD整形得到的近似高斯分布的圓光斑，當其實際束腰半徑與勻光透鏡組預(yù)設(shè)的束腰半徑大小有一定出入時，仍能在某一位置得到效果很好的勻光分布，只是與勻光透鏡組設(shè)計的最佳位置有偏移。當LD慢軸方向近似高斯能量分布時，也可得到較好的勻光效果。綜上所述，該勻光設(shè)計效果理想，且裝調(diào)方便。

3 光纖耦合模塊的勻光設(shè)計

由于半導(dǎo)體激光器的直接應(yīng)用受到限制，采用光纖耦合技術(shù)改善遠場對稱性、獲得更高功率輸出，已經(jīng)進行了大量的研究［10］，并且大功率半導(dǎo)體激光器的光纖耦合模塊已經(jīng)商品化。工業(yè)應(yīng)用中，大功率半導(dǎo)體激光器能量均勻化有重大需求，其中塑料焊接是一典型的應(yīng)用。

設(shè)計中采用nLIGHT公司Pearl系列的大功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊，纖芯直徑200μm，能量近似高斯分布，波長940nm，功率50W，選擇勻化后光斑直徑為3mm。將光纖耦合模塊輸出的光束準直擴束，得到光斑直徑1.6mm，然后再進行勻化處理，滿足塑料焊接中的某些能量高勻化要求。

Table 2 Optimized parameters of aspheric lenses

非球面鏡選型仍為伽利略式，凹凸兩面的面型參量見表2，選用模壓玻璃非球面透鏡，玻璃為DZK3。超精密模具的加工技術(shù)已經(jīng)比較成熟，可以制造出各種形狀的高精非球面鏡，與計算機數(shù)字控制機床(computer numerical control，CNC)拋光非球面透鏡相比，制作容易，且可批量生產(chǎn)。

圖8為勻化后得到的最佳效果，能量均勻度為96%，能夠滿足對能量均勻性要求比較高的工業(yè)應(yīng)用。

Fig.8 Energy profile on x axis after shaping and homogenization for the best result

4 結(jié)論

作者針對LD大發(fā)散角、橢圓高斯分布的特性，在ZEMAX中設(shè)計了一套光束整形勻光系統(tǒng)，并編寫了相應(yīng)的宏語言程序，提高了優(yōu)化效率。模擬結(jié)果表明，在非序列模式下，最佳位置的能量均勻度可達96%以上，且在較長范圍內(nèi)均有勻光效果。

現(xiàn)今，非球面鏡的加工技術(shù)已經(jīng)比較成熟，CNC拋光非球面透鏡和模壓玻璃非球面透鏡均得到廣泛應(yīng)用，大大提高了非球面整形系統(tǒng)的實際應(yīng)用價值。該研究為能量均勻化的半導(dǎo)體激光器在激光照明、材料加工、醫(yī)療等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，提供了有效途徑。隨著半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量及功率的不斷提高，該勻光系統(tǒng)有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］SHANGGUAN W P.Study on the system of beam shaping for high-power laser diode array［D］.Hangzhou:Zhejiang University，2011:14-38(in Chinese).

［2］HUANGW，WEIH Y，LIY.Effect of relative position error in microlens arrays pair on beam homogenization［J］.Laser Technology，2013，37(1):11-15(in Chinese).

［3］XIONG Y.Research of homogenizing technology for diode laser beam based on kaleidoscope［D］.Wuhan:Huazhong University of Science and Technology，2012:1-5(in Chinese).

［4］BONORA S.Compact beam-shaping system for high-power semiconductor laser bars［J］.Journal of Optics，2007，A9(4):380-386.

［5］CHEN G，ZHAOCh M，JIR Y，etal.Simulation design of semiconductor laser collimation based on ZEMAX［J］.Laser Technology，2012，36(3):318-321(in Chinese).

［6］CHEN K，LIP X，CHEN M，et al.Design and analysis of aspheric lenses system converting Gaussian beam to flattop beam［J］.Laser＆ Optoelectronics Progress，2011(3):54-58(in Chinese).

［7］FAN ZM，LIZ，QIAN L X.Aspherical lens laser beam shaping system［J］.Infrared and Laser Engineering，2012，41(2):353-357(in Chinese).

［8］FENG K，LI JS.Design of aspherics lenses shaping system on Gaussian beam ［J］.Opto-Electronic Engineering，2013，40(5):127-132(in Chinese).

［9］FRIEDEN B R.Lossless conversion of a plane laser wave to a plane wave of uniform irradiance［J］.Applied Optics，1965，4(11):1400-1403.

［10］ZHU H B.Study on high power single emitter diode laser combination and fiber coupling［D］.Changchun:Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，2012:1-13(in Chinese).