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半导体激光光束的特性及其耦合技术

吴翔  
【摘要】: 半导体激光器已经成为现代光电系统和光子系统中不可取代的重要部分。在设计这些光学系统中,研究半导体激光器的辐射特性是评价系统耦合效率的必要前提。由于半导体激光器的辐射特性取决于其内部结构,因此,本文首先应用光波导理论,求得了不同波导结构的半导体激光器中的模式光场分布。 随着制作工艺和封装技术的发展,光电系统和光子系统的尺寸越来越小,半导体激光辐射的远场模型不再适合其近场特性的分析;而且,半导体激光器可以作为近场虚拟光探针,应用于近场光学高密度存储、纳米光刻、近场光学成像以及光谱探测等领域。因此,本文利用平面波角谱理论分析了半导体激光器的近场特性,并建立了半导体激光近场的一维模型。 光束质量因子M~2已经被广泛的应用,并作为评价激光光束的质量的标准。本文基于非傍轴二阶矩理论,全面的分析了半导体激光光束的光束质量因子M~2,并计算了不同波导结构的半导体激光光束的质量因子,给出其精确的解析表达式。本文还通过实验测量了InGaAs/AlGaAs SCH DQW激光器的光束质量因子M~2。理论和实验结果表明,在二阶矩的定义下,半导体激光光束的质量因子总是大于1的。 本文应用几何光学的方法,设计了用于半导体激光光束快轴和慢轴准直的柱面微透镜,并给出了模拟结果。本文还提出了一种新型的大功率激光二极管棒的多波长光束耦合技术。通过一个具有温度梯度的热沉(Temperature Gradient Heat Sink),使二极管棒在慢轴方向上形成线性的波长分布。本文探讨了利用温度控制波长的原理,提出了温度梯度热沉的初步设想,及耦合光学系统的设计。初步实验的结果证明利用Czerny-Turner光束耦合系统,可以改善慢轴上的光束质量,将光束聚焦到较小的尺度。


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