第34卷第5期2008年9月 光学技术OPTICAL TECHN IQU E Vol.34No.5Sep.　2008文章编号:100221582(2008)0520664203半导体激光器线阵的棱镜组光束整形器和光纤耦合输出Ξ王春灿1,2,张帆1,刘楚1,宁提纲1,简水生1(1.全光网络与现代通信网教育部重点实验室,北京　100044;2.北京交通大学光波技术研究所,北京　100044)摘　要:针对半导体激光器线阵输出光束快慢轴方向光参数积不对称问题,提出并制作了基于直角棱镜片的光束整形器,其具有结构简单紧凑,制作安装容易的特点。

通过数值仿真和实验对光束整形器进行了分析,研究表明整形器实现了半导体激光器线阵输出光束的对称化,并且光束经过透镜聚焦后对数值孔径为0.46,直径为200μm 的光纤进行耦合,效率为53%。

关键词:激光技术;光束整形;半导体激光器线阵;光纤耦合中图分类号:TN248.4 文献标识码:APrism groups beam shaper and f iber coupling of the laser diode arraysWANG Chun 2can 1,2,ZH ANG Fan 1,LI U Chu 1,NI NG Ti 2gang 1,J I AN Shui 2sheng 1(1.K ey Lab of All Optical Network &Advanced Telecommunication Network of EMC ,Beijing Jiaotong University ,Beijing 100044,China )(2.Institute of Lightwave Technology ,Beijing Jiaotong University ,Beijing 100044,China )Abstract :The emission beam of the laser diode arrays (LDA )has an asymmetrical distribution and is astigmatic ,that is ,the waists and divergences of the beam in the fast and slow axes are different.To equalize the beam parameter products (BPP )of the asymmetrical laser beam ,a new beam shaper based on the prism groups is developed and demonstrated by experiment.Byfocusing the reshaped beam into an optical fiber with the diameter of 200μm and numerical aperture of 0.46,high quality laser beams can be obtained and the overall efficiency is 53%.K ey w ords :laser technique ;beam shaping ;laser diode arrays ;fiber coupling0　引　言近年来由于大功率半导体激光器线阵(LDA )具有体积小、光电转换效率高、工作寿命长和较高的高性价比等优势,在材料加工、激光医疗和固体激光器的泵浦源等方面得到广泛地应用。

半导体激光器线阵的输出光束具有不对称性,即在垂直于p 2n 结的方向上发光区宽约1μm ,输出光束的发散角为30°～60°,这一方向称为快轴,在平行于p 2n 结的方向上发光区宽约10mm ,发散角约为10°,其称为慢轴。

例如nlight 公司60W 半导体激光器线阵是由49个发光单元以间隔100μm 周期沿慢轴方向排列组成,每个发光单元尺寸为1μm ×100μm (快轴尺寸×慢轴尺寸),整体半导体激光器线阵的发光面尺寸为1μm ×10mm ,发散角为36°×10°。

一般用拉格朗日不变量,也称作光束参数积(BPP )来描述光束质量,其值为光斑尺寸与发散角度的乘积,则快轴和慢轴两个方向上BPP 分别为0.6和1745mm ・mrad 。

图1给出了上海恩耐公司的60W 半导体激光器线阵的输出光束强度分布,由SPIRICON M 22200光束质量分析仪测得,可以看出光束沿快慢轴两个方向上是不对称的。

因此,如果要把LDA 输出光束耦合进光纤,需要首先通过光束整形技术将LDA 输出光束进行对称化。

目前,国内外所用的整形技术有双平面镜反射法[1]、阶梯反射镜法[2]、微片棱镜堆整形法[3]、衍射元件法[4]等。

本文报道利用直角棱镜组对LDA 输出光束进行整形的方案,其特点是结构简单紧凑,制作和安装较为容易,并且成466Ξ收稿日期:2007211221;收到修改稿日期:2008201221 E 2m ail :xzwangchuncan @ ;ssjian @基金项目:国家自然科学基金、北京市自然科学基金(4052023)、新世纪优秀人才支持计划(NCET 20620076)、北京交通大学校科技基金(2006XM003)资助);北京交通大学科学技术基金(2004RC073);北京交通大学专项研究员基金(48101)作者简介:王春灿(19752),男,江苏人,北京交通大学博士研究生,从事光纤激光器与光器件方面的研究。

图1　60W 半导体激光器线阵沿快慢轴方向上的输出光束强度分布本低廉。

1　理论分析由于慢轴方向上的光参数积远远大于快轴,所以光束整形的目的是使快慢轴两个方向上的光参数积值相接近,从而实现光束的对称化。

光束整形原理如图2所示,其过程分为两个步骤:第一步,将准直后的LDA 输出光束沿x 轴(慢轴)方向等分为N 段,通过位移将N 小段光束沿y 轴(快轴)方向依次等间隔排列;第二步,在第一步的基础上将重新排列的光束分别沿x 轴平移得到x 轴和y 轴方向上长度分别为L x 和L y 的光斑。

假设BPP 0x (BPP 0y )和BPP 0x (BPP 1y )分别表示慢轴(快轴)方向上整形前后的光参数积,则B PP 1x=B PP 0x N;　B PP 1y =B PP 0y ・N(1)图2　光束整形原理 若要满足光斑对称化的条件即BPP 1x =BPP 1y ,则有N =ceilEPP 0x EPP 0y(2)其中ceil ()是取整函数。

2　整形器件的设计因为LDA 直接输出的光束发散角太大,所以输出光在整形前经过了快慢轴准直,准直后快慢轴方向上的发散角分别为0.25°和3°,光束尺寸为0.85mm 和10mm ,则BPP 0x =523.6mm ・mrad ,BPP 0y =3.7mm ・mrad ,由公式(2)可得N =12时整形效果是最好的,但是本文为了便于制作,取N =10,这样整形后BPP 1x =52.36mm ・mrad ,BPP 1y =37mm ・mrad ,二者比较接近,从而实现光束的对称化。

制作整形器件采用20个厚度为1mm 的直角等腰棱镜片,棱镜片的直角边长取20mm ,其尺寸还可以进一步缩小以减小光程,这样有利于降低光束的损耗和提高器件的紧凑性。

整形器件的详细结构参见图3,可以看到整形器是由两个相同结构的棱镜组构成,需要注意的是在棱镜组中,相临两个棱镜片沿直角边错开1mm ,LDA 输入光束由棱镜的直角边垂直入射,经过斜边全反射后从另一直角边输出,光束经过第一组棱镜后沿慢轴等分为十段,并且沿快轴依次产生1mm 的位移,可以从图4(a )看到用光学软件ZEMAX 计算的仿真结果。

光束经过第一步的位移后再通过第二组棱镜使得十段光束沿快轴方向依次对齐排列,同样在图4(b )给出了仿真结果。

图3　利用两组直角棱镜进行光束整形的过程(a ) (b )图4　软件ZEMAX 的仿真结果(a )经过第一组棱镜的输出光束沿慢轴等分并位移;(b )经过第二组棱镜整形后的输出光束。

3　实验结果与分析图5为实际制作的棱镜组外观图,可以看到棱镜组由十片直角等腰棱镜构成,相临棱镜沿其中一条直角边平移1mm 。

图6给出了LDA 输出光束分566第5期王春灿,等:　半导体激光器线阵的棱镜组光束整形器和光纤耦合输出图5　棱镜组实物照片图6　光束经过第一组棱镜(a )和第二组棱镜(b )整形后的输出光束图像别经过第一组和第二组棱镜后的光斑照片,可以看到通过整形实现了光束的重新排列,但是同时也注意到整形后的光束排列不完全均匀,这主要是由于棱镜片组装时的误差造成的。

图7给出了光束经过整形后的光强分布,对比图1可以看出光束经过重新排列沿快轴方向光斑尺寸增加,而慢轴方向的尺寸减少,从而实现了光束整形。

经过整形后的光束虽然快慢轴方向上的光参数积已经接近,但是,在慢轴方向上的发散角仍然大于快轴发散角,所以需要用一个柱透镜对慢轴进行准直,再用一个球面凸透镜聚焦,最后耦合进光纤。

图8给出了整形后的光束耦合进一根直径为200μm ,数值孔径为0.46的光纤后,耦合输出功率随LDA 输出功率的变化趋势,其效率为53%。

光功率的损耗主要是由于材料损耗、菲涅耳反射、衍射损耗引起的,因此可以通过进一步缩小棱镜尺寸从而减小光程,棱镜和透镜的镀膜以及进一步优化慢轴的分段数N 来实现耦合效率的进一步提高。

4　结　论本文利用直角棱镜片制作了LDA 光束整形器,其具有制作简单、结构紧凑和安装容易的特点,整形后的光束可以耦合进直径200μm ,数值孔径为0.46的光纤,效率为53%,可以通过进一步提高安装和制作工艺来提高耦合效率。

参考文献:[1]Clarkson W ,Hanna D C.Two 2mirror beam 2shaping technique forhigh 2power diode bars[J ].Opt.Lett.,1996,21(6):375.[2]Ehlers B ,Du K ,Baumann M ,et al.Beam shaping and fibre cou 2pling of high 2power diode laser arrays[J ].SPIE ,1997,3097:639—644.[3]石鹏,李小莉,张贵芬,等.大功率激光二极管的微片棱镜堆光束整形和光纤耦合输出[J ].光学学报,2000,20(11):1544—1547.[4]Leger J R ,G oltsos W C.G eometrical transformation of linear diodelaser arrays for longitudinalpumping of solid state lasers[J ].IEEE.J.Quant.Electron ,1992.,28(4):1088—1100.666光　学　技　术 第34卷。