光束參量積對半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量的評估

楊孝敬,焦清局,王乙婷

(1.安陽師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院, 安陽 455000；2.北京工業(yè)大學(xué) 國際WIC研究院, 北京 100124；3.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院, 上海 200240)

引 言

隨著對半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量的要求越來越高，對半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量參量的研究非常急迫。例如：聚焦點(diǎn)大小、遠(yuǎn)場散度角、時(shí)間衍射限制參量β、光束參量積(beam parameter products,BPP)因子和M2因子等。由于不同的定義和方法導(dǎo)致其結(jié)果不同[1]，所以至今沒有一個(gè)參量積因子能夠有效地評估高能半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量。因此，研究激光的光束質(zhì)量參量積因子非常必要[2-3]。

由于多發(fā)射半導(dǎo)體激光芯片[4-5]性能可靠、成本低而被廣泛應(yīng)用。許多文獻(xiàn)中都對光束質(zhì)量的評估進(jìn)行了討論[6-8]。參考文獻(xiàn)[9]和參考文獻(xiàn)[10]中研究了半導(dǎo)體激光器的通用性和適應(yīng)性中的光束質(zhì)量參量積Mq2因子，并對其進(jìn)行了初步驗(yàn)證。眾所周知，M2因子不適合評價(jià)高能激光的光束質(zhì)量。高能激光的諧振腔一般是非穩(wěn)腔，輸出的激光光束不規(guī)則，不存在光腰。而且，對于能量分布離散型的高能激光光束，由二階矩定義計(jì)算得到的光斑半徑與實(shí)際相差也很遠(yuǎn)，因而得到的M2因子誤差很大。M2因子要求光束截面的光強(qiáng)分布不能有陡直邊緣，比如對于超高斯光束,M2因子就不適用。

作者采用參考文獻(xiàn)[9]中提出的光束參量積Mq2因子對半導(dǎo)體激光器高能激光的光束質(zhì)量進(jìn)行評估。研究了各種因素，特別是準(zhǔn)直和聚焦透鏡對光束質(zhì)量的影響。采用光束質(zhì)量參量積Mq2因子解釋半導(dǎo)體激光器的準(zhǔn)直效果，通過疊加幾個(gè)信號發(fā)射器芯片來調(diào)節(jié)多發(fā)射極半導(dǎo)體激光器聚焦透鏡，從而系統(tǒng)驗(yàn)證了Mq2的有效性。

1 理論分析

下面采用光束質(zhì)量參量積Mq2評估光束質(zhì)量，并解釋疊加信號發(fā)射極芯片調(diào)節(jié)多發(fā)射半導(dǎo)體激光聚焦透鏡的準(zhǔn)直效應(yīng)。光束質(zhì)量參量積Mq2因子為：

(N//·θ//)k//}2·F(As)

(1)

由此可知,Mq2是對準(zhǔn)直聚焦鏡光束質(zhì)量的評估因子,L//和θ⊥是影響Mq2的關(guān)鍵因素。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證半導(dǎo)體激光芯片對準(zhǔn)直和聚焦透鏡的影響，參考了參考文獻(xiàn)[10]中的方法設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)。如圖1所示，選擇輸出功率為9W、波長為915nm±10nm的商業(yè)激光芯片。采用快速軸方向上有效焦距長度(effective focal length, EFL)等于慢軸方向上有效焦距長度的聚焦透鏡。設(shè)置慢軸準(zhǔn)直(slow axis collimator, SAC)的有效焦距長度直到光束有效自準(zhǔn)。開始測試、記錄并處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后填入下列表格中。本文中只考慮As=0(單位歸一化)的情況(通過透鏡消除后的像散現(xiàn)象)。

(1)本文中考慮快軸準(zhǔn)直焦距(fast axis collimator,FAC)的影響。結(jié)合2個(gè)不同的FAC透鏡(EFL為600μm和EFL為1100μm)6個(gè)芯片的結(jié)果。比較表1和表2發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AC透鏡的EFL減小，Mq2的值減小，表明此條件下光束質(zhì)量較好。

Fig.1 Simulation of stacking multilayer diode laser chip

(2)研究激光二極管數(shù)目的影響。比較表2和表3可知，增加激光二極管數(shù)目，Mq2的值變大，光束質(zhì)量變差。

Table 1 Measurements and calculations for 6 combined beams using an 1100μm FAC (N⊥=6,N//=1,As=0)

parametermeasurementcalculationdifference/%EFL of 100.1mmL⊥/μm149.0138.66.1L///μm811.0801.47.2N⊥·θ⊥/mrad6.26.20.1N//·θ///mrad0.70.71.9Mq2/(mm·mrad)7.87.80.4EFL of 49.8mmL⊥/μm81.369.89.1L///μm382.6402.62.9N⊥·θ⊥/mrad12.490.2N//·θ///mrad0.70.91.8Mq2/(mm·mrad)15.414.34.1EFL of 8mmL⊥/μm12.912.414.1L///μm59.459.80.9N⊥·θ⊥/mrad71.370.50.2N//·θ///mrad6.26.51.9Mq2/(mm·mrad)89.779.68.1

Table 2 Measurements and calculations for 6 combined beams using a 600μm FAC (N⊥=6,N//=1,As=0)

parametermeasurementcalculationdifference/%EFL of 100.1mmL⊥/μm301.1284.34.1L///μm698.9785.66.3N⊥·θ⊥/mrad2.93.21.1N//·θ///mrad0.40.60.8Mq2/(mm·mrad)3.13.12.1EFL of 49.8mmL⊥/μm151.2142.65.2L///μm402.4412.74.1N⊥·θ⊥/mrad5.95.91.3N//·θ///mrad0.90.91.0Mq2/(mm·mrad)4.84.62.9EFL of 8mmL⊥/μm12.919.92.9L///μm62.763.50.9N⊥·θ⊥/mrad40.139.41.3N//·θ///mrad5.95.61.0Mq2/(mm·mrad)29.826.84.2

Table 3 Measurements and calculations for 10 combined beams using a 600μm FAC (N⊥=6,N//=1,As=0)

parametermeasurementcalculationdifference/%EFL of 100.1mmL⊥/μm286.2259.24.1L///μm741.9769.34.9N⊥·θ⊥/mrad9.17.90.3N//·θ///mrad0.40.41.9Mq2/(mm·mrad)22.622.60.2EFL of 49.8mmL⊥/μm139.7129.56.1L///μm402.4421.13.9N⊥·θ⊥/mrad17.117.00.4N//·θ///mrad0.80.81.9Mq2/(mm·mrad)51.649.82.1EFL of 8mmL⊥/μm19.918.72.8L///μm59.259.80.8N⊥·θ⊥/mrad122.6122.10.3N//·θ///mrad5.85.31.9Mq2/(mm·mrad)305.9303.41.6

(3)考慮不同聚焦透鏡的影響。表1～表3中分別比較EFL為100.1mm,49.8mm和8mm約3個(gè)透鏡。發(fā)現(xiàn)聚焦透鏡的EFL減少和Mq2值增加引起焦點(diǎn)變大，光束質(zhì)量變好。以上所述，光束質(zhì)量參量積Mq2因子能夠有效反映FAC的EFL、激光二極管的數(shù)目和聚焦透鏡的EFL。

從表1、表2和表3中可知,L//和θ⊥是光束質(zhì)量的主要影響因素。L//和θ⊥的變化越明顯，光束質(zhì)量參量積Mq2因子的變化越明顯。光束質(zhì)量參量積Mq2因子的變化非常顯著，測量值和計(jì)算值之間的誤差一般小于5%。因此，光束質(zhì)量參量積Mq2因子能夠有效評估高能激光的光束質(zhì)量。

3 結(jié) 論

光束質(zhì)量參量積Mq2因子不僅可以評估半導(dǎo)體激光的光束質(zhì)量，評估準(zhǔn)直和聚焦透鏡半導(dǎo)體激光芯片的光束質(zhì)量，也能有效反映影響FAC的EFL、激光二極管的數(shù)目和聚焦透鏡的EFL。結(jié)果表明,Mq2因子適合評估高能激光的光束質(zhì)量。