半导体激光器光束传输特性研究

【摘要】： 半导体激光器和半导体激光器阵列具有结构紧凑、高亮、高效等特点,在科研和工程领域有极其广泛的应用,这是其它激光器无法比拟的。 但是同时半导体激光器也有一些缺点。由于波导结构的特点,造成半导体激光器的光场分布复杂。对于典型的大功率半导体激光器器件,发光点尺寸约100μm,输出光束的发散角大,一般属于多模工作状态。以上特点造成半导体激光器输出光波空间分布质量差,亮度不高。因此在许多应用领域中,必须对光束整形,这就需要准确地了解半导体激光器的远场光分布及其传播特性,以便更有效的利用。 本论文针对不同类型半导体激光器的光场分布,分析了它们的光场特点,提出合理的模型描述了其特性;给出较准确的远场光强分布表达式,并推导出其通过光学系统的变换特性,进而讨论了半导体激光器光束的光场传播规律。论文的主要工作如下: 以椭圆厄米高斯光束为一类半导体激光器的出射光束光场模型,分析了此类半导体激光器光束通过一阶光学系统的聚焦准直特性。运用Collins公式,从理论分析了半导体激光器光束传输特性,并运用该公式进行数值计算,该结论可用于分析半导体激光器光束传输整形设计。 运用厄米余弦高斯光束模型描述一类半导体激光器出射光场。当厄米余弦高斯光束通过一阶光学系统时,其场分布由光束衍射积分公式给出积分形式。考虑光阑作用,将其中硬边光阑的窗口函数用高斯函数展开,积分得到光阑限制时厄米余弦高斯光束传输的解析公式。该方法便于进行物理分析,节省计算机时。可直接从解析公式出发,分析半导体激光器光束的传输变换规律、影响光束场分布的物理因素。 基于亥姆霍兹方程在慢振幅变化条件下的特解场分布。首次提出由两个偏心椭圆高斯光束叠加而形成的一种新的半导体激光器远场模型。利用光束衍射积分公式,研究了该光束模型通过一阶光学系统的传输规律。采用本文介绍的模型,选取合适的参数,得到此类半导体激光器器件的远场发散角和强度分布,理论结果与实测结果吻合。 大功率半导体激光器阵列光场分布更为复杂,现有光场模型已经无法准确描述半导体激光器阵列的光场分布,需要寻求一种简单、准确的光场模型来描述其光场分布。本文根据一类半导体激光器阵列波导结构,首次提出平行于结平面方向用正弦函数乘以限制窗函数来描述模式场分布,运用非傍轴光传输理论分析,得到描述半导体激光器阵列远场分布模型,其结果与实验测量结果吻合。该模型具有物理意义明确,描述半导体激光器阵列光场传输特性准确的特点,可用于半导体激光器阵列光束整形和传输分析。 综述了传统的一些激光光束质量评价标准,分析了它们各自的适用范围、优点和局限性。在此基础上,运用一种新的光束质量评价方法描述半导体激光器光束质量,用相关参数分析了影响半导体激光器光束准直的难易程度。