半导体二极管激光器是最实用最重要的一类激光器。它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦，其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面得到了广泛的应用。
半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生激光的器件……其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器，一般是由砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟（InP）、硫化锌（ZnS）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。
光泵式半导体激光器，一般用N型或P型半导体单晶（如GaAS,InAs,InSb等）做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励。高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用N型或者P型半导体单晶（如PbS,CdS,ZhO等）做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器件中，性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。
激光器
半导体激光（Semiconductor laser）在1962年被成功激发，在1970年实现室温下连续输出。后来经过改良，开发出双异质接合型激光及条纹型构造的激光二极管（Laser diode）等，广泛使用于光纤通信、光盘、激光打印机、激光扫描器、激光指示器（激光笔），是目前生产量最大的激光器。
激光二极体的优点有：效率高、体积小、重量轻且价格低。尤其是多重量子井型的效率有20~40%，P-N型也达到数15%~25%，总而言之能量效率高是其最大特色。另外，它的连续输出波长涵盖了红外线到可见光范围，而光脉冲输出达50W（脉宽100ns）等级的产品也已商业化，作为激光雷达或激发光源可说是非常容易使用的激光的例子。
工作原理
根据固体的能带理论，半导体材料中电子的能级形成能带。高能量的为导带，低能量的为价带，两带被禁带分开。引入半导体的非平衡电子-空穴对复合时，把释放的能量以发光形式辐射出去，这就是载流子的复合发光。
一般所用的半导体材料有两大类，直接带隙材料和间接带隙材料，其中直接带隙半导体材料如GaAs（砷化镓）比间接带隙半导体材料如Si有高得多的辐射跃迁几率，发光效率也高得多。
半导体复合发光达到受激发射（即产生激光）的必要条件是：①粒子数反转分布分别从P型侧和n型侧注入到有源区的载流子密度十分高时，占据导带电子态的电子数超过占据价带电子态的电子数，就形成了粒子数反转分布。②光的谐振腔在半导体激光器中，谐振腔由其两端的镜面组成，称为法布里一珀罗腔。③高增益用以补偿光损耗。谐振腔的光损耗主要是从反射面向外发射的损耗和介质的光吸收。
半导体激光器是依靠注入载流子工作的，发射激光必须具备三个基本条件：
（1）要产生足够的 粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数；
（2）有一个合适的谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡；
（3）要满足一定的阀值条件，以使光子增益等于或大于光子的损耗。
半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（即利用电子）在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光。
半导体激光器优点：体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等。
决定因素
半导体光电器件的工作波长是和制作器件所用的半导体材料的种类相关的。半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时，就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。材料科学的发展使我们能采用能带工程对半导体材料的能带进行各种精巧的裁剪，使之能满足我们的各种需要并为我们做更多的事情，也能使半导体光电器件的工作波长突破材料禁带宽度的限制扩展到更宽的范围。
损耗关系
准直处理，单模管比较好处理，发散角可以压的比较小，多模管的话需要做快慢轴准直，发散角还是比较大的，可以选择焦距长点，口径大些的透镜准直，准直光斑大些，这样的发散角会相对小一些了，不过镜头的费用也上去了1、微光学元件简介微光学（Micro-Optics）是未来微光电机系统（Micro-Optical-Electrical-Mechanical System，MOEMS，也称微机械系统，Micro-Electrical-Mechanical System）中三大（另两大组成部分是微电子和微机械）重要组成部分之一，有时也称光学微机械（Optical MEMS）。微光学元件具有体积小、重量轻、设计灵活可实现阵列化和易大批量复制等优点已成功地应用到现代光学的各个领域中，如校正光学系统的像差、改善光学系统的成像质量、减轻系统的重量。更为广泛的应用是激光光学领域，用于改变激光光束波面，实现光束变换，如光束的准直、整形及光学交换和光学互联等。微光学元件按照光传播的途径可简单地分为两大类：衍射光学元件（Diffractive Optical Elements， DOEs）和折射性光学元件（Refractive Optical Element，ROEs）。衍射型微光学元件中比较常用的一种是二元光学元件（Binary Optical Element，BOEs），以多台阶面形来逼近连续光学表面面形，是微光学元件中比较重要的一类。相应的微光学元件的设计方法有衍射方法和折射传播的几何光学方法，如Fresnel 波带法、G-S 算法、遗传算法、光线追迹等。目前比较成熟的商业化软件如CODE V，ZEMAX， OSLO 等都具备微光学元件和系统的优化设计功能。
2、微光学元件的制作方法
微光学元件的制作方法归纳起来有两种：机械加工方法和光学加工方法。机械加工方法主要有[1]：光纤拉制（Drawing of Fiber Lenses）、超精度研磨（Ultraprecision Grinding）、注模（Moulding）、金刚石车削（Diamond Turning）等。光学加工方法就是光刻（Photolithography）。机械加工方法的优点是工艺过程简单，缺点是难于实现阵列型器件和大规模廉价复制，而且不易制作非旋转对称微光学元件，如柱面透镜、任意不规则面型微光学。光学加工方法的优点是：能实现任意不规则面型透镜（尤其是二元微光学元件更是如此），可以大规模复制、缺点是工艺复杂、对环境要求较高。光学光刻可实现二元衍射微光学元件和连续面形微光学元件，主要有二元光学方法、掩模移动法、灰阶掩模法、热熔法和梯度折射率方法等。图1是采用光刻方法加工8台阶二元衍射微光学元件的加工工艺原理，采用三块不同频率的掩模，通过三次甩胶、曝光、显影、刻蚀等工艺实现95%衍射效率的微光学元件。图2是采用掩模移动法制作连续面形微光学阵列元件，首先根据要求的面形设计掩模，然后在曝光过程中通过移动掩模，实现各部分的不同曝光量，最后通过显影、反应离子刻蚀，将光刻胶的面形传递到光学表面材料上。灰阶掩模法是根据微光学元件所需面型，对掩模进行灰阶编码，形成相应的光强透过率分布函数，通过一次曝光、显影，即可得到相应的光刻胶面形，最后通过刻蚀，得到光学材料上的面形，如图3所示。热熔法是通过曝光后光刻胶的表面张力作用的收缩，形成面形，如图4所示。这几种方法中，热熔法由于面形不容易控制和难于制作不规则面形而应用领域受到限制，二元衍射方法虽然能实现各种复杂面形而得到广泛应用，但受到光刻线宽分辨率的限制而不能制作较大数值的微光学元件；掩模移动法能制作较大数值孔径元件但难于制作不具有中心对称或旋转对称元件。灰阶掩模法具有设计灵活、能制作任意面形的微光学元件，但是掩模制作过程中数据量较大，难于精确地控制面形。总的说来，二元衍射方法适合于小数值孔径微光学元件而连续面形方法适合于制作大数值、小口径微光学元件。
3.1 半导体激光器特性及光纤耦合方法
半导体激光器(Laser Diode, LD)及其阵列（Laser Diode Array，LDA）由于具有体积小、重量轻、发光效率高和易调制、容易集成等优点被认为是最有前景的激光器。大功率半导体激光器要求激光器非单发光区结构而是由这些单发光区按照某一规则排列成线阵（BAR CHIPS）或面阵（STACKED ARRAY），图5 为典型的大功率条阵半导体激光
器的发光截面示意图。半导体激光器的特殊结构使得它的发散角较大，而且存在着像散，给使用带来了很多不便，制约半导体激光器应用。除了极少数的应用，如DPL的侧面外，大多数应用，如半导体激光器泵浦的全固态激光器（DPSSL）的端面、光纤激光器以及要求较高的侧面泵浦激光器都要求对LDA 光束进行整形，形成小芯径、小数值孔径、高亮度的光纤耦合激光输出。较早的方法是将一根光纤和LDA 的每一个发光区一一对应，形成一捆光纤束。这种方法在大功率时须采用一大捆光纤束而光亮度并不大，也难于对该光束进行进一步的整形来提高光亮度，因此该方法已趋于淘汰。考虑到微光学元件和大功率半导体激光器阵列都具有微型化、阵列化的特点，采用微光学元件对半导体激光器光束进行准直、整形和耦合被认为是最有前景的
方法微透镜阵列光束整形。首先采用微透镜阵列将LDA 光束准直成准直光束，然后进一步将光束进行整形，最后将整形光束聚焦耦合到光纤，如图6 所示。
3.2 光纤耦合LDA 模块原理分析
光纤耦合输出激光光束的主要参数除了功率外就是光纤芯径和数值孔径。对于一定芯径和数值孔径的光纤耦合光束而言，其整个耦合过程满足光参数积不变的原理[3]。光参数积定义为光斑直径与该方向的发散角的乘积。对于直径为d 圆形对称的光束，其远场发散角为θ，该光束的光参数积为
BPP LDA、BPP fiber分别为耦合光束和光纤的光参数积。对于图5 所示的吧条大功率半导体激光器阵列，快、慢轴方向的光参数积分别为0.70mm*mrad 和1745mm*mrad，但如果发散角按1/e2定义，激光器的发散角更大。实际上，阵列型半导体激光器的各个发光区之间存在间隙，占空比为0.3 而非1，因此采用微透镜阵列一一对应准直可以提高占空比，减小慢轴方向的光参数积 [2]，这样光参数积变成19×0.15 ×10 ×17.45=497mm*mrad，图7 为准直半导体激光器阵列的微柱面透镜的面形轮廓。
3.3、准直光束的准直及整形
对于芯径为800μm 、数值孔径为0.22的光纤其光参数积为352mm*mrad，快轴方向的光参数积已经足可以满足耦合要求，慢轴方向的光参数积太大，仅靠传统的光学系统是无法改变光束的光参数积，因此必须对光束整形。光束整形就是通过重新排列快、慢轴方向的光束，来减小一个方向的光斑尺寸，增大另一个方向的光斑尺寸，从而实现两方向光参数积的平衡。假定慢轴方向的光参数积为BPPslow，快轴方向的光参数积为BPP fast，那么整形时光束整形次数N可通过（3）式计算得到
实际上，由于折叠次数的增多必然带来分割间隙间的损耗，因此只需满足快、慢轴方向的光参数积均小于耦合光纤的光参数积即可。目前有三种光束整形有三种方式：反射式、折射式和折反射式。折射式和折/反射式由于准直后慢轴方向的光束仍有一定的发散角，在几个折射表面必然产生较大反射损耗和偏离光路，从而降低整个系统的耦合效率，反射式是一种较为理想的方法，因此选择反射式有利于提高系统的耦合效率。
对于占宽比为0.3 的条阵LDA，采用微透镜阵列准直后，其快慢轴方向的光参数积分别为0.70 mm*mrad和497 mm*mrad。若需要耦合进入800um、0.22NA、对应光参数积为352 mm*mrad 的光纤， 那么慢轴光束只需整形折叠2 次即可。
3.4、计算模拟
采用ZEMAX EE 非序列光线追迹光学设计软件，对光源发光模型、光束准直、整形及聚焦进行模拟，得到各个步骤的光场分布及效率。图8 为几个重要光学表面位置处的光强分布，a 为条阵激光器发光面处的光强分布，从图中可以看出19 个发光区，每一个发光区的输出功率为2W，因此总输出光功率为38W，b 为快、慢轴方向都准直后的光强分布，功率为37.9，c 为整形后的光强分布，激光器功率为31W，d 为经过聚焦后在光纤端面处的光强分布，从模拟结果来看，光斑小于150um×720um，输出功率为26W， 耦合效率为68.5%。若按总功率40W 计算，则光纤耦合输出功率为27.4W。
3.5、实验结果及分析
采用微透镜阵列对40W条阵半导体激光器进行光纤耦合，该激光器由19 个发光区构成，每一个发光区长度为150µm，发光区间距为500µm，因此条阵发光区长度为10mm，在快、慢轴方向的发散角分别为8°和36°（FWHM）。通过快慢轴微透镜阵列准直后，其快慢轴方向的准直光束的发散角为2.3mrad 和42.5mrad，光斑约为10mm×0.6mm，经过两次折叠，变成1.2mm×5mm 光斑。采用焦距f=15mm，口径D=6.35mm 的聚焦透镜耦合进入光纤，耦合进入芯径为800um，数值孔径为0.22NA 的多模光纤，其耦合效率达到了63.8%。图9 为条阵半导体激光器的P-I 曲线和光纤耦合输出的P-I 曲线，图10 为实际的光纤耦合半导体激光器。功率损耗主要在以下几个方面：实测效率低首先是准直包络能量快、慢轴方向仅有90%；其次各个透镜反射能量的损耗约占5~8%；整形过程中对波面的分割和重新排列时的边缘损耗约5~8%；最后是耦合光纤端面的反射和端面的泄露损耗了约10%能量。
欢迎分享，转载请注明来源：内存溢出
微信扫一扫
支付宝扫一扫
评论列表（0条）