第38卷 第2期中 国 激 光
V ol.38,N o.22011年2月
CHINESE JO URNAL OF LASERS
February,2011
复眼透镜在激光二极管阵列光束整形中的应用
贾文武 汪岳峰 黄 峰 殷智勇 赵 诚
(军械工程学院光学与电子工程系,河北石家庄050003)
摘要 在回顾复眼透镜对单光束光源的均匀化机制基础上,分析了复眼透镜对激光二极管(L D)阵列光源的光束均匀化机制。即对子光束分割叠加破坏相似性,对所有分割叠加后的子光斑进行叠加获得均匀性。在此基础上,以抽运薄片或者板条激光器需要高功率密度的均匀抽运光为需求,设计了基于复眼透镜的L D 阵列光束整形系统,并给出了其中复眼透镜和积分透镜这两个关键部件的结构形式和相关参数。最后根据所设计的复眼透镜LD 光束整形系统搭建了相应的实验光路并测试了整形后光斑不均匀性,测试表明不均匀性为9.8%,验证了对复眼透镜L D 阵列光束整形的分析。
关键词 光电子学;复眼透镜;光束整形;抽运
中图分类号 T N 245 文献标识码 A doi :10.3788/CJL 201138.0202008
Application of Fly s Eye Le ns in Be am Shaping Laser Diode Array
Jia Wenwu Wang Yuefeng Huang Feng Ying Zhiyong Zhao Cheng
(Depar t m en t of Opt ics a nd Electr on ic En gin eer in g ,Or dn an ce Engin eer in g College ,
Shijia zhu an g ,Hebei 050003,Chin a )
Abstract Reviewing the mechanism of fly s eye lens homogenizing single beam sourc e,the mechanism of fly s eye lens homogenizing la ser diode a rray is studied.Each single beam is split and superposed to break down the c om parability between them,then the shaped beams are superposed to gain a uniform beam.Then a fly s eye lens based beam shaping system for laser diode array,aiming to improve pumping intensity,is designed.The parameters of fly s eye lens and integrating lens are given out.An experim ent of the designed beam shaping system is done and the non uniformity of result beam is measured,which confirms the analysis of fly s eye lens homogenizing la ser diode a rray.
Key wo rds optoelectronic s;fly s eye lens;bea m shaping;pum ping OCIS co des 220.2945;140.5560;140.2020
收稿日期:2010 08 07;收到修改稿日期:2010 09 25
作者简介:贾文武(1984 ),男,博士研究生,主要从事光学系统设计和光束整形等方面的研究。E mail:jw w4891@https://www.doczj.com/doc/a017379581.html,
导师简介:汪岳峰(1963 ),男,博士,教授,主要从事固体激光技术方面的研究。E mail:W Y Fmail@https://www.doczj.com/doc/a017379581.html,
1 引 言
复眼透镜由一系列子透镜组合而成,形成空间上的微透镜阵列。将复眼透镜应用于照明系统中可以获得高的光能利用率和均匀的照明效果,其光束匀化能力在投影显示等领域已经得到广泛的证明
[1~5]
。而在高功率固体激光抽运中,抽运均匀性
直接与激光介质的温度分布、应力分布相关联,会影响到激光器能否实现高光束质量的激光输出以及激光器的能量转换效率[6~9]。因此将复眼透镜引入到
激光二极管(LD)抽运耦合系统中作为LD 阵列的光束整形器件,对于提高LD 抽运的均匀性具有重要意义。但是与投影显示中光束整形不同,LD 阵列的光束整形具有它的特殊性:抽运功率密度是激光抽运源的重要技术指标,因此针对LD 抽运做光束整形时通常要求压缩光斑尺寸以提高抽运功率密度;LD 阵列光源中单个发光点的光束是相干光而发光点之间不相干,这种局部相干性是如何影响复眼透镜整形结果的均匀性的,这是以抽运为需求的
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基于复眼透镜的LD 阵列光束整形需要重点解决的问题。本文设计了基于复眼透镜的LD 阵列光束整形系统,给出了相关参数并进行了实验验证。
2 复眼透镜LD 阵列光束均匀化机制
2.1 复眼透镜对单光束光源的均匀化机制
复眼透镜光束均匀化主要依靠对光束的分割和叠加来实现,在复眼透镜光束整形中通常是针对单光束光源的[10,11]。
如图1(a)所示,基于复眼透镜的LD 整形系统通常由双排微透镜阵列和积分透镜组成。两组微透镜阵列前后平行放置且间距为子透镜的焦距,子透镜之间相互对准形成子透镜对。第一组微透镜阵列中的子透镜将入射光束分割为子光束并聚焦到第二组微透镜阵列上,第二组微透镜阵列中的子透镜和积分透镜共同将对应的子光束重合在积分透镜的焦
面上。由于第一排微透镜阵列将光源的整个宽光束分为多个细光束,每个细光束范围内的微小不均匀性将在重合的过程被平滑从而获得均匀照明。这就是微透镜阵列光束均匀化的分割叠加机制。
当入射光不是平行光时,如图1(b)所示,不同入射角的光线通过第一组微透镜阵列后将被聚焦于第二组微透镜阵列的相应子透镜的不同高度处。此时第二组微透镜通过第一组子透镜的中心光线偏折为平行光轴出射,保证其他入射角的光线仍然能够在积分透镜的焦面上重合,从而使非准直光束仍然能够在焦面上重合。但是如果光线的入射角过大,使光线聚焦点超出对应子透镜的孔径范围进入相邻的子透镜孔径,其光束将偏离重合区域而形成旁瓣,降低了光源的能量利用率。对于具有一定发散角的光源来讲,子透镜的数值孔径需要足够大才能接收到来自光源的所有光线。
图1复眼透镜光束整形系统示意图Fig.1Sketch of fly s eye beam shaping sy st em
2.2 复眼透镜对LD 阵列光束的分割
对复眼透镜单光束光源均匀化机制的分析表明,复眼透镜光束均匀化的一个重要的前提是将光束进行分割和叠加。虽然LD 阵列的光束也是由一个个子光束组成的,但是如果以此进行光束分割,直接将各子光束叠加仍然不能得到均匀的强度分布。因为LD 的每个子光束之间的光分布是相似的(快轴方向为高斯分布,慢轴方向为超高斯分布),叠加后光分布与单光束的光分布仍然是相似的,并不能实现均匀化的目的。因此在采用复眼透镜的LD 阵列光束均匀化的过程中,需要使用复眼透镜对LD 阵列中的子光束进行分割,破坏这种相似性。一个解决办法就是让复眼透镜离开LD 阵列足够的距离l 使单个LD 的光束能够覆盖多个复眼透镜的子孔径,从而每个发光点的光束被数个子透镜孔径所分割并在积分透镜后焦面叠加。图2是复眼透镜对LD 阵列光束分割的示意图。由于LD 阵列中单个
图2复眼透镜光束分割
F ig.2Beam splitting met ho d o f fly s ey e lens
发光点的光束是相干的,对单个发光点的分割叠加还不能得到均匀化的目的。但是LD 阵列是由许多非相干的发光点组成的,每个发光点分割叠加后的非均匀光斑在积分透镜的后焦面重合,其内部不均匀性将会通过叠加得到减小甚至消除。
因此,复眼透镜对LD 阵列光束均匀化的机制
贾文武等: 复眼透镜在激光二极管阵列光束整形中的应用
为:对LD 阵列中每个发光点的子光束分别进行分割叠加,破坏LD 阵列中各个子光束之间光分布的相似性;将LD 阵列中所有子光束分割叠加后的光斑再进行非相干叠加实现均匀化的目的。
3 复眼透镜LD 阵列光束整形系统设计
以一5bar 条的LD 阵列进行基于复眼透镜的抽运光束整形系统的设计为例,指出其中关键参数的确定原则。LD 阵列部分参数为:波长808nm ;发
散角40 (快轴),8 (慢轴);bar 条数5;间隔1.8mm 。
要求整形后获得尺寸压缩为4m m 4m m,强度分布均匀的抽运光斑。由图1及2.1节分析可知复眼透镜整形系统由复眼透镜和积分透镜组成,对其光学系统设计主要是对其各部件的结构形式和相关参数进行设计。主要包括复眼透镜的构成及其数值孔径参数,积分透镜的选择及其焦距参数。3.1 复眼透镜及其数值孔径
如图3所示,在该方案中复眼透镜由两组正交的一维柱透镜阵列成,其中1,3为一组对x 方向(竖直)进行整形;2,4为一组对y 方向(水平)进行整形,两组之间交叉排列,正交放置。这样可以通过分别改变两组一维柱透镜的数值孔径来实现矩形抽运光斑。复眼透镜的口径为14mm 14m m,保证LD 阵列中每个发光点的光束都能够被复眼透镜的多个孔径分割。
图3复眼透镜的构成方式Fig.3Co nfigurat ion of fly s eye lens
子透镜的数值孔径是影响能量利用率的重要因素,由图1(b)可知,如果入射光发散角太大,经过第一个子透镜孔径的光线其聚焦位置将超出相应第二个子透镜的孔径范围,从而偏离设计的目标面影响抽运系统的能量利用率。而过分增大子透镜的数值孔径将会增大系统的像差,影响整形结果的均匀性。
LD 阵列快轴发散角为40 ,而慢轴发散角为8 。快轴发散角较大但是便于进行光束的准直,而慢轴方向由于发光单元之间的间隔较小难以进一步准直,但是其发散角在合理范围内。综合以上因素,对LD 快轴方向进行光纤柱透镜准直轻易准直至约1 左右,而慢轴方向保持不变。因此设定子透镜的数值孔径为0.087,保证 5 的光线均能被复眼透镜接收,提高LD 抽运系统的耦合效率。
最终选定间隔为500 m,顶点曲率半径为1.5mm,厚度为1mm 的一维柱透镜阵列产品(SUSS 公司,型号为16 1367 109 111的产品)进行实验研究。但是由于这样的子透镜焦距约为3.3mm,若将两组微透镜阵列放置在相互的子透镜焦平面上则前后两部分之间将会存在一个微小的间隙。由于实验条件的限制,在实验过程中,前后两组微透镜阵列之间紧密排列,而不是严格的后组微透镜阵列放置在前组子透镜的后焦面上。这种放置方法将会增大通过复眼透镜后子光束的发散角,需要在其后积分透镜的焦距设计中进行补偿。3.2 积分透镜及其焦距
抽运目标面上光斑的大小由子光束通过复眼透镜后的发散角和积分透镜的焦距决定。如图4所示,考虑一束平行光通过复眼透镜的子透镜对后变为角度为2 的发散光束(由于实验第二组微透镜阵列不能放置在第一组焦面上,而是略在焦面之前,设计时需要考虑实际的角度)。积分透镜靠近复眼透镜放置基本上不影响发散角大小,因此在积分透镜的后焦面上光斑尺寸为
f tan =H ,
式中f 为积分透镜的焦距,2H 为整形后光斑的尺寸。
图4积分透镜焦距、光斑尺寸与子光束发散角的关系Fig.4Relat ion of fo ca l leng th o f integr ating lens,
beam size and diver gence o f beamlet
要实现4mm 4m m 的光斑面积要求积分透
镜的焦距为17m m,考虑到积分透镜的口径约需
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20mm 以实现与复眼透镜口径的匹配,此时若采用普通透镜则像差将会非常大,影响复眼透镜的整形性能[12]
。故选用非球面透镜作为积分透镜,以减小像差对整形结果的影响。
4 复眼透镜LD 阵列光束整形实验
经过对复眼透镜LD 阵列光束整形的分析和设计,对一5bar 条的LD 阵列光束进行相应的实验研究。LD 阵列光束经过快轴预准直后其光场分布如图5所示,由一条条亮线组成。实验时LD 的输入电流很小,部分发光点没有发光,正好模拟了阵列中部分发光点失效对整形效果的影响。通过复眼透镜将LD 阵列这种由若干亮线组成的光斑整形为4mm 4mm 的均匀光斑。复眼透镜按照2.1节中的方法构
成如图6所示。为了方便调试和安装,通过一个成像透镜将光路上不同截面处的光斑放大成像在较远的成像屏上。由摄像头将成像屏上808nm 的整形光斑像转化为可见图像,成像在显示器上。
图5整形前LD 阵列的光斑分布F ig.5L ig ht spot o f L D befo re shaping
图6组装好的二维复眼透镜。(a)二维复眼透镜外观,(b)显微镜下的二维结构
F ig.6F ly s ey e lens.(a)appearance of fly s eye lens,(b)tw o dimensional constructio n under micro sco pe
图7复眼透镜对光束的分割情况。(a)实验光路,(b)复眼透镜对光束的分割F ig.7Split beam by fly s ey e lens.(a)experimental system,(b)split beam
首先观察复眼透镜对LD 阵列光束的分割情况。图7(a)为观察复眼透镜对LD 阵列光束分割的
实验光路。在该光路中先不加积分透镜,在复眼透镜后放置一成像透镜和成像屏。通过调节成像透镜和成像屏的位置,使复眼透镜后表面的光斑成像在成像屏上。通过一摄像头将成像屏上的像转化为可见图像成像在显示屏上,如图7(b)所示。可以看出LD 阵列光束被复眼透镜的子孔径所分割,分割后的各个子光束的强度分布不一,而子光束内的光强度分布也是不均匀的。
再将积分透镜加入光路中如图8(a)所示,在积分透镜后焦面上放置一白纸,其上的光斑如图9所示。调节成像透镜的位置使该光斑成像在成像屏上,通过摄像头转化为可见图像如图8(b)所示。可见图7(b)中这些强度不一,分布也不尽相同的子光束将通过积分透镜在其后焦面上叠加获得均匀的光斑。同时可以看见整形后光斑内不存在干涉条纹,说明单个发光点分割叠加所产生的干涉条纹已被发光点之间的非相干叠加所消除。
复眼透镜LD 阵列光束整形可以得到均匀的光
贾文武等: 复眼透镜在激光二极管阵列光束整形中的应用
分布,可以作为薄片或者板条激光的抽运光源整形手段。此时抽运光的均匀性是一个重要特性,因此对整形光斑的均匀性进行了测量。其均匀性可以通过光斑中强度最大值与最小值的差值与均值的比来
衡量,即不均匀性,比值越小表明均匀性越好。测量时,通过CCD 摄像头正对图9的光斑进行成像,则图像的灰度分布反映了光斑的强度分布。经过测量
光斑像的不均匀性为9.8%。
图8复眼透镜L D 阵列光束整形结果。(a)实验光路,(b)后焦面光斑成像
F ig.8R esult s o f experiment.(a)experimental system,(b)imag e o f beam o n t he back fo cal plane
图9整形后L D 阵列的光斑分布F ig.9L ig ht spo t of L D after shaping
5 结 论
以激光抽运为需求,对复眼透镜用于LD 阵列光束整形方法进行了研究。指出了复眼透镜LD 阵列光束均匀化的机制:对LD 阵列中每个发光点的子光束分别进行分割叠加,破坏LD 阵列中各个子光束之间光分布的相似性;再将LD 阵列中所有子光束分割叠加后的光斑再进行非相干叠加,排除子光束分割叠加时干涉效应的影响,最终实现均匀化的目的。以激光抽运为需求进行了复眼透镜LD 光束整形系统的设计,指出了其中复眼透镜子透镜数值孔径和积分透镜焦距等参数的确定原则及其对整形性能的影响。最后通过实验验证了文章对复眼透镜LD 阵列光束整形均匀化机制的分析。
参
考
文
献
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激光二极管的特性 1、伏安特性 半导体激光器是半导体二极管，具有单向导电性，其伏安特性与二极管相同。反向电阻大于正向电阻，可以通过用万用表测正反向电阻确定半导体激光二极管的极性及检查它的PN结好坏。但在测量时必须用1k以下的档，用大量程档时，激光器二极管的电流太大，容易烧坏。 2、P—I特性 激光二极管的出射光功率P与注入电流I的关系曲线称为P-I 曲线。 注入电流小于阈值电流I th时，激光器的输 出功率P很小，为自发辐射的荧光，荧光的输 出功率随注入电流的增加而缓慢增加。 注入电流大于Ith时，输出功率P随注入 电流的增加而急剧增加，这时P—I曲线基本上 是线性的。当I再增大时，P—I曲线开始弯曲呈非线性，这是由于随着注入电流的增大，使结温上升，导致P增加的速度减慢。 判断阈值电流的方法：在P—I特性曲线中，激光输出段曲线的向下延长线与电流轴的交点为激光二极管的阈值电流。 3、光谱特性
激光二极管的发射光谱由两个因素决定：谐振腔的参数，有源介质的增益曲线。 腔长L确定纵模间隔，宽W和高H决定横模性质。如果W和H 足够小，将只有单横模TEM00存在。 多模激光二极管在其中心波长附近呈现出多个峰值的光谱输出。单纵模激光器只有一个峰值。 工作在阈值以上的1mm腔长的增益导引LD的典型发射光谱 激光二极管是单模或多模还与泵浦电流有关。折射率导引LD，在泵浦电流较小、输出光功率较小时为多模输出；在电流较大、输出光功率较大时则变为单模输出。而增益导引LD，即使在高电流工作
下仍为多模。 折射率导引激光器光谱随光功率的变化发射光谱随注入电流而变化。I
文章编号:100123806(2003)0420357205激光二极管光束整形技术 郭明秀1 沈冠群2 陆雨田1 (1中国科学院上海光学精密机械研究所,上海,201800) (2上海市激光技术所,上海,200233) 摘要:阐述了对LD 输出光束进行整形的必要性。在国内首次对目前常用的一些典型的光束整形技术的整形原理、关键技术及整形效果进行了分析、比较和评价。 关键词:激光二极管;激光二极管阵列;光束整形;拉格朗日不变量中图分类号:TN24814 文献标识码:A The technology of laser diode beam shaping Guo M i ngxi u 1,S hen Guanqun 2,L u Y utian 1 (1Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics ,the Chinese Academy of Science ,Shanghai ,201800) (2Shanghai Institute of Laser Technology ,Shanghai ,200233) Abstract :This paper introduces the necessity of beam shaping for LDA beam.S ome typical beam shaping methods ’shaping principles ,key techniques and shaping effects are areanalyzed ,compared and assessed for the first time.K ey w ords :laser diode (LD );laser diode array (LDA );beam shaping ;Lagrange invariant 作者简介:郭明秀,女,1975年11月出生。硕士。现从事半导体泵浦固体激光器及半导体激光器光束整形的研究工作。 收稿日期:2002212219;收到修改稿日期:2003201222 引 言 激光二极管LD (laser diode )及其阵列LDA (laser diode array )的主要特点是高效、稳定、结构简单,可制成小体积全固化器件。广泛应用于LD 泵浦的固体激光器、光纤激光器、材料处理、医药、航空航天等各个领域。 LD 由于其特殊的工作原理,其光束质量在垂直与平行于p 2n 结两个方向上相差很大。通常把垂直于p 2n 结方向称为快方向,平行于p 2n 结方向称为慢方向。快方向上的光束接近衍射极限(M 2≈1),发散角大;而慢方向上的光束质量则极差(M 2>1000),发散角小。正是由于这两个方向上的光束质量的极不均衡性使得LD 应用起来比较困难。而且这样的快慢两个方向上光束质量相差很大的光束无法用一般的光学系统直接改善而达到高功率密度输出。因此,LD 要获得更广泛的应用,必须采用光束整形方法,解决光束质量差、功率密度低的问题。 1 光束整形技术的原理、关键技术 1.1 LDA 光束整形技术的原理 假设d 为光源的尺寸,θ为其发散角,n 为所在 介质的折射率,一个光源无论经过什么样的光学成 像系统的变换,乘积L =d × θ×n 始终保持不变,称之为拉格朗日不变量。光束质量的评价一般采用M 2来表征,但通常也可采用拉格朗日不变量来表征。由于通常的光学成像系统不能改变光束的拉格朗日不变量,因此,必须将LD 光束分割、旋转、重排,即光束整形,把慢方向上的拉格朗日不变量减小,同时使快方向上的拉格朗日不变量增加,达到均衡拉格朗日不变量,提高光束质量的目的 。 图1 LDA 光束重组的几种结果 图1表示光束重排的几种结果(P 1～P 4)[1]。 CSA 是LDA 发光区排列方式。采用按微镜分割时,LDA 的发光区排列可看成像CS 一样,即在光束 第27卷 第4期 2003年8月 激 光 技 术 LASER TECHNOLO GY Vol.27,No.4August ,2003
半导体激光器光束准直技术研究 摘要：相较于其他激光器，半导体具有结构简单、功耗低、操作方便等优点， 且目前已广泛应用于激光领域，例如：激光通信、激光测距等。基于半导体激光 器的基本结构，在垂直于结平面方向上，它发出的光束的发射角大小大约为30o；而在平行于结平面方向上，它的发射角大约为10o。正是由于两者的发射角相差 太大，所以半导体激光器在应用过程中，利用特殊的光学系统对其输出光束进行 准直是非常有必要的。 本文开篇部分主要介绍了半导体激光器的发展现状和准直意义，中间部分主 要讲述了半导体激光器的基本原理与结构分类，最后大概介绍了一些半导体激光 器光束准直方法。 关键词：半导体激光束；准直；整形 一、半导体激光器的发展现状和准直意义 半导体激光器从二十世纪六十年代开始发展，较其他激光器落后几年，如今 半导体激光器的技术已相当成熟。二十世纪七十年代开始，人们重点研究了半导 体激光器的动态特性，使其主要朝着两个方面发展，其一是功率型激光器，主要 以提高光功率为主；其二是信息型激光器，主要以传递信息为主。近年来，人们 也研发出了高功率半导体激光器，其指的是脉冲输出功率在5W以上，且连续输 出功率在100mW以上。二十世纪九十年代，在泵浦固体激光器的作用下，高功 率半导体激光器的研发取得了实质性进展，主要指半导体激光器的连续输出功率 可以达到5W~30W左右，得到了很大的提高。现在，高功率半导体激光器在国内 外的发展已相当白热化，其中国外商品化的大功率半导体激光二极管阵列已达到 千瓦级别，而国内的样品器件要稍微落后一点，但也已达到了600W。 现如今，半导体激光器已广泛应用于各行各业，但是在应用过程中，出现了 一些问题，主要是由于半导体激光器的波导结构造成的。这些问题主要表现在三 个方面：其一，半导体激光束在快轴方向和慢轴方向的发射角之间相差太大，其 中在慢轴方向的发射角大概在10o左右，而在快轴方向上的发射角甚至可以达到60o左右；其二，半导体激光器具有固有像散，即半导体激光器在慢轴和快轴两 个方向上的束腰不在同一地方；其三，半导体激光器的远场的光斑为椭圆形的。 基于这些特点，在那些条件较高的领域，几乎都要利用特殊的光学系统对输出光 束进行准直。 二、半导体激光器的基本原理与结构分类 半导体激光器是利用半导体中的电子光跃迁导致光子受激辐射从而产生的光 振荡器和光放大器的统称。 受激辐射是指若入射光的能量满足式（2-1）且大于带隙能量Eg时，则导带 中的电子将发生跃迁以及价带中的空穴将发生光子辐射。而自发辐射是指没有入 射光的光子发射。式（2-1）如下， （2-1） 其中，h是普朗克常量，是角频率。 假如系统具有数量较多的电子，那么在热平衡状态下，低能级的电子数小于 高能级的电子数，即电子的能量分布是服从费米-狄拉克分布的，所以基本来讲， 光还是被吸收的。半导体激光束发挥作用主要依靠的是激光辐射，而激光作用的 基本原理就是光放大，其是靠系统的能量分布产生反转而形成的净的光辐射产生的。对于半导体激光器来说，其与别的激光器的基本原理是无本质差别的，且阈
半导体激光器输出特性的影响因素 半导体激光器是一类非常重要的激光器，在光通信、光存储等很多领域都有广泛的应用。下面我将探讨半导体激光器的波长、光谱、光功率、激光束的空间分布等四个方面的输出特性，并分析影响这些输出特性的主要因素。 1． 波长 半导体激光器的发射波长是由导带的电子跃迁到价带时所释放出的能量决定的，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)。 hf=Eg f(Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长 且c=3×108m/s ，h=6.628×10?34J ·s ，leV=1.60×10?19J 得 决定半导体激光器输出光波长的主要因素是半导体材料和温度。 不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg ，因而有不同的发射波长λ：GaAlAs-GaAs 材料适用于0.85μm 波段，InGaAsP-InP 材料适用于1.3~1.55μm 波段。 温度的升高会使半导体的禁带宽度变小，导致波长变大。 2． 光功率 半导体激光器的输出光功率 其中I 为激光器的驱动电流，P th 为激光器的阈值功率；I th 为激光器的阈值电流；ηd 为外微分量子效率；hf 为光子能量；e 为电子电荷。 hf 、e 为常数，Pth 很小可忽略。由此可知，输出光功率主要取决于驱动电流I 、阈值电流I th 以及外微分量子效率ηd 。驱动电流是可随意调节的，因此这里主要讨论后两者。除此之外，温度也是影响光功率的重要因素。 1）阈值电流 半导体激光器的输出光功率通常用P-I 曲线表示。当外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流称为阈值电流，用I th 表示。当激励电流II th 时，有源区不仅有粒子数反转，而且达到了谐振条件，受激辐射为主，输出功率急剧增加，发出的是激光，此时P-I 曲线是线性变化的。对于激光器来说，要求阈值电流越小越好。 阈值电流主要与下列影响因素有关： a) 晶体的掺杂浓度越大，阈值电流越小。 b) 谐振腔的损耗越小，阈值电流越小。 c) 与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结小得多。 d) 温度越高，阈值电流越大。 2）外微分量子效率 ) (th d th I I e hf P P -+=ηλ c =f
光束整形器的分类 光束整形器又称为激光整形器，是衍射光学元件（DOE）中的最常用的透镜。光束整形器的作用是把激光光束转化为一个能量均匀分布的平顶光斑，光斑形状可以是正方形、圆形或其它形状。评价光束整形器好坏的标准是光斑能量分布是否均匀、边沿是否锐利、效率是否足够高。 光束整形器（Beam Shaper/Top-Hat）——平顶光斑 1.平顶光束整形器（Top hat） 1）带聚焦镜的光束整形器(Focal Beam Shaper)；2）平顶光束整形元件(Angular Beam Shaper) 2.M-Shape光束整形器，M形光束整形透镜(Beam Shaper_M Shape)，维尔克斯光电技术支 持 3.圆环激光发生器，圆环光束整形器，激光圆环衍射光学元件(Ring generator, Multi-Circles)
4.螺旋相位板，涡旋透镜，激光轴棱镜，漩涡镜头，涡旋相位板(Diffractive Axicon, Vortex Lens) 5.激光扩散器（使激光均匀地扩散成一个平面），均匀片，激光匀束元件，匀化光束整形 器(Homogenizers,Diffusers)维尔克斯光电选型支持
光束整形器——激光分束（Beam Splitters） 1.激光分束器（Beam Splitter） 1）一维激光分束镜，一维激光光束分束元件（1D Beam Splitter） 2）二维激光分束器，激光二维分束透镜（2D Beam Splitter） 2.客制化激光光束分束器，随机点阵激光分束镜，定制图形激光分束器（Custom Beam Splitter）
太原理工大学现代科技学院 课程实验报告 专业班级 学号 姓名 指导教师
实验名称 半导体激光器P-I 特性测试实验 同组人 专业班级 学号 姓名 成绩 一、 实验目的 1. 学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理 2. 了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系 3. 掌握半导体激光器P （平均发送光功率）-I （注入电流）曲线的测试方法 二、 实验仪器 1. ZY12OFCom13BG 型光纤通信原理实验箱 1台 2. 光功率计 1台 3. FC/PC-FC/PC 单模光跳线 1根 4. 万用表 1台 5. 连接导线 20根 三、 实验原理 半导体激光二极管（LD ）或简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，（处于高能级E 2的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子，而跃迁到低能级E 1，这个过程称为光的受激辐射。所谓一模一样，是指发射光子和感应光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，它和感应光子是相干的。）是一种阈值器件。由于受激辐射与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率（≥10mW ）辐射，而且输出光发散角窄（垂直发散角为30～50°，水平发散角为0～30°），与单模光纤的耦合效率高（约30％～50％），辐射光谱线窄（Δλ＝0.1～1.0nm ），适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速信号（>20GHz ）直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。 P-I 特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流I th 尽可能小，I th 对应P 值小，而且没有扭折点的半导体激光器，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比（测试方法见实验四）大， ……………………………………装………………………………………订…………………………………………线………………………………………
文章编号:100123806(20030420357205激光二极管光束整形技术 郭明秀1沈冠群2陆雨田1 (1中国科学院上海光学精密机械研究所,上海,201800(2上海市激光技术所,上海,200233 摘要:阐述了对LD 输出光束进行整形的必要性。在国内首次对目前常用的一些典型的光束整形技术的整形原理、关键技术及整形效果进行了分析、比较和评价。 关键词:激光二极管;激光二极管阵列;光束整形;拉格朗日不变量中图分类 号:TN24814文献标识码:A The technology of laser diode beam shaping Guo M i ngxi u 1,S hen Guanqun 2,L u Y utian 1 (1Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics ,the Chinese Academy of Science ,Shanghai ,201800 (2Shanghai Institute of Laser Technology ,Shanghai ,200233 Abstract :This paper introduces the necessity of beam shaping for LDA beam.S ome typical beam shaping methods ’shaping principles ,key techniques and shaping effects are areanalyzed ,compared and assessed for the first time.K ey w ords :laser diode (LD ;laser diode array (LDA ;beam shaping ;Lagrange invariant 作者简介:郭明秀,女,1975年11月出生。硕士。现从事半导体泵浦固体激光器及半导体激光器光束整形的研究工作。
试论高斯光束整形技术 发表时间：2016-01-27T14:56:49.093Z 来源：《医师在线》2015年10月第21期供稿作者：张海英 [导读] 北京V美精致雕颜平顶光束的转化，多年来一直成为中外学者研究探索的重要课题。 张海英 北京V美精致雕颜 100123 【摘要】：本文给出了一个整形系统的设计实例，简化了高斯光束整形系统的光学设计；解释了高斯光束的形成原理；利用Zemax编写计算了坐标变换的ZPL宏指令；通过非球面透镜实验，证实了高斯光束的整形变化。仿真设计结果表明，输出光斑的光强均匀度高、能量损耗小、符合使用标准。且方法易于操作、计算简单、具有较高的实用价值。 【关键词】光束整形高斯光束平顶光束 【引言】 平顶光束的转化，多年来一直成为中外学者研究探索的重要课题，国外主要以Alavinejad和B.Ghafar等人为主，国内的研究学者主要有罗时荣、季小玲、曾庆刚等人，本文利用ZEMAX软件对整形系统进行研究，根据上述理论设计了针对高斯光束的仿真实验系统,据此进行了相关实验,验证了设计结果。 目前将高斯光束转化为平顶光束的方法主要有：衍射光学元件法、长焦深整形原件法、双折射透镜组法、陈列光学元件法、液晶空间光调制器法、以及非球面透镜法，其中非球面最具实用价值，故而本文将重点对其进行介绍。 一基础理论 1.光束整形原理 依据M.F.Frieden的整形原理示意图，分别用字母表示入射光强，出射光强，入射面任意一条光线的坐标值，以及与其对应的出射平面坐标值，高斯光束束腰，平顶光半径，依据能量守恒定律，建立入射光线与出射光线的联系，可以得出入射面光线的坐标值和与其对应的出射面坐标值间的能量相等。 2．非球面面型参数 利用单片透视镜使光强分布在平面B,实现均匀分布，因为R与r间是非线性关系，所以B平面内光波，不是平面光波，因此需要采用双片式结构使B处光波转换为平面光波。根据三角函数关系及几何光学为依据；配合snell定律、三角恒等式等进行计算，通过大量的计算和比对，我们发现该方法计算过程较为复杂，不利于光学软件的优化设计。 二 .ZEMAX软件仿真设计 1软件功能介绍 ZEMAX软件是美国 Radiant Zemax 公司所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射、折射绕射等光学模型，并结合优化、公差等分析功能，是一套可以运算sequential及Non-Sequential的软件。可以按照光学系统的不同需求进行仿真操作，操作方便且精确度高，在激光整形系统中应用较为广泛。在序列模式下建模与优化，非序列模式下仿真，公差分析。选择适合的初始结构和系统优化三大步骤。 2平顶光束实验 在ZEMAX系统中，将工作波长设定为532nm，高斯光束束腰为6mm，平顶光束半径为6mm，通过率为90%，以硅胶玻璃为介质，采用双透镜系统进行整形，选取入射平面上的200条光线，作为样品，利用zemax软件上的“reay”对每条出射光的投射高度进行操控。 要保证实验结果的准确性以及精确度，必须要保证初始结构的选取绝对精确，否则将无法达到预期的效果。为保证设计效果的准确。须要分进行步完成设计。 首先设计但透镜整形系统：第一面为平面，第二面为高次非球面。在zpl下进行语言优化。借助图标可以得到，经过单透镜系后的高斯光束，已转换为平顶光束，此系统光程差较大，只能在固定区域内实现光束平均化，因而将对其进行更为精准的优化。 在原有的设计基础上，将一非球面透镜加至原像面处，有zemax的无焦像空间模式就，对准直系统进行进一步优化。实验结果表明，高斯光束，在普乐系统重整后，变为了平顶光束，出射光以平行状分布，但光束边缘处波动较大。 进一步对其进行公差分析可知，元件的偏心公差和倾斜公差，透视面的倾斜公差，对灵敏度的影响十分明显。因此提高系统装调精度，才能使光学系统得到更好的发挥。 三.平顶光束的特性 平顶光束的优势在于，可以将场分布函数用有限的厄米-高斯或拉盖尔-高斯模的和来表示。且于abcd相吻合。利用Li提出的模型以及基模高斯光束传播规律作为依据，对于平顶光束的特性进行研究，将不同模型的平顶光束表达式带入Collins公式中，得到结论，阶数增大，会使光场均匀性增强，会呈现平顶方波形式，阶数大时，光束光场分布变化减小。 平顶光束处于自由空间时，光阶数增加，平顶光束趋于平坦。呈现方形分布，若光阶数超出一定范围，光强分布逐渐减弱。 四．复杂的高斯光束 实验证明上述方法，至适用于球面整形的设计。对于谐振腔为方形德的激光器并不适用。因此研究厄米特-高斯光束和拉盖尔高斯光束的整形方法，是解决这一问题的关键。 首先利用zemax分别对两种光束，进行自动优化设计，得到光束设计图，通过对设计图的分析研究，找出平顶光束传输，存在一种特定的模式，不同的平顶光模型间存在的这种联系，可以将复杂的平顶光束转化为简单的光传输形式。这种传输形式的转换，对于复杂平顶光线在科学，医学，以及物理学方面的应用，提供了更加便利的条件。对于复杂平顶光线的应用具有重大意义。 五．总结与展望 概括来说，平顶光束可以弥补高斯光束，光束分布不均的缺点，且具有更强的实用性，对于人类科学，医疗方面的发展，具有重大的意义。本文对高斯光束转化为平顶光束，进行了合理的设计及论证；利用光学软件进行了设计优化；对于相对复杂的平顶光模型的整形技术进行了整合、细化、及推广。 然而，为了使其实用价值得到更加充分的体现，仍需对其进行更加系统化的实验研究，进而得到更为精确完整的理论。与此同时还应
第34卷第5期2008年9月 光学技术OPTICAL TECHN IQU E Vol.34No.5 Sep. 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:A Prism groups beam shaper and f iber coupling of the laser diode arrays WANG 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.By focusing the reshaped beam into an optical fiber with the diameter of 200 μm 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 coupling 0 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100 μm 周期沿慢轴方向排列组成,每个发光单元尺寸为1μm ×100 μm (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 4 66Ξ收稿日期:2007211221;收到修改稿日期:2008201221 E 2m ail :xzwangchuncan @https://www.doczj.com/doc/a017379581.html, ;ssjian @https://www.doczj.com/doc/a017379581.html, 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。
半导体激光器输出特性的影响因素
半导体激光器输出特性的影响因素 半导体激光器是一类非常重要的激光器，在光通信、光存储等很多领域都有广泛的应用。下面我将探讨半导体激光器的波长、光谱、光功率、激光束的空间分布等四个方面的输出特性，并分析影响这些输出特性的主要因素。 1． 波长 半导体激光器的发射波长是由导带的电子跃迁到价带时所释放出的能量决定的，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)。 hf = Eg f (Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长 且c=3×108m/s ， h=6.628×10?34 J ·s ，leV=1.60×10?19 J 得 决定半导体激光器输出光波长的主要因素是半导体材料和温度。 λ c =f ) ( )(24.1m eV Eg μλ=
不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg ，因而有不同的发射波长λ：GaAlAs-GaAs 材料适用于0.85 μm 波段， InGaAsP-InP 材料适用于 1.3~1.55 μm 波段。 温度的升高会使半导体的禁带宽度变小，导致波长变大。 2． 光功率 半导体激光器的输出光功率 其中I 为激光器的驱动电流，P th 为激光器的阈值 功率；I th 为激光器的阈值电流；ηd 为外微分量 子效率；hf 为光子能量；e 为电子电荷。 hf 、e 为常数，Pth 很小可忽略。由此可知，输出光功率主要取决于驱动电流I 、阈值电流I th 以及外微分量子效率ηd 。驱动电流是可随意调节 的，因此这里主要讨论后两者。除此之外，温度也是影响光功率的重要因素。 1）阈值电流 半导体激光器的输出光功率通常用P-I 曲线 ) (th d th I I e hf P P -+=η
第38卷 第2期中 国 激 光 V ol.38,N o.22011年2月 CHINESE JO URNAL OF LASERS February,2011 复眼透镜在激光二极管阵列光束整形中的应用 贾文武 汪岳峰 黄 峰 殷智勇 赵 诚 (军械工程学院光学与电子工程系,河北石家庄050003) 摘要 在回顾复眼透镜对单光束光源的均匀化机制基础上,分析了复眼透镜对激光二极管(L D)阵列光源的光束均匀化机制。即对子光束分割叠加破坏相似性,对所有分割叠加后的子光斑进行叠加获得均匀性。在此基础上,以抽运薄片或者板条激光器需要高功率密度的均匀抽运光为需求,设计了基于复眼透镜的L D 阵列光束整形系统,并给出了其中复眼透镜和积分透镜这两个关键部件的结构形式和相关参数。最后根据所设计的复眼透镜LD 光束整形系统搭建了相应的实验光路并测试了整形后光斑不均匀性,测试表明不均匀性为9.8%,验证了对复眼透镜L D 阵列光束整形的分析。 关键词 光电子学;复眼透镜;光束整形;抽运 中图分类号 T N 245 文献标识码 A doi :10.3788/CJL 201138.0202008 Application of Fly s Eye Le ns in Be am Shaping Laser Diode Array Jia Wenwu Wang Yuefeng Huang Feng Ying Zhiyong Zhao Cheng (Depar t m en t of Opt ics a nd Electr on ic En gin eer in g ,Or dn an ce Engin eer in g College , Shijia zhu an g ,Hebei 050003,Chin a ) Abstract Reviewing the mechanism of fly s eye lens homogenizing single beam sourc e,the mechanism of fly s eye lens homogenizing la ser diode a rray is studied.Each single beam is split and superposed to break down the c om parability between them,then the shaped beams are superposed to gain a uniform beam.Then a fly s eye lens based beam shaping system for laser diode array,aiming to improve pumping intensity,is designed.The parameters of fly s eye lens and integrating lens are given out.An experim ent of the designed beam shaping system is done and the non uniformity of result beam is measured,which confirms the analysis of fly s eye lens homogenizing la ser diode a rray. Key wo rds optoelectronic s;fly s eye lens;bea m shaping;pum ping OCIS co des 220.2945;140.5560;140.2020 收稿日期:2010 08 07;收到修改稿日期:2010 09 25 作者简介:贾文武(1984 ),男,博士研究生,主要从事光学系统设计和光束整形等方面的研究。E mail:jw w4891@https://www.doczj.com/doc/a017379581.html, 导师简介:汪岳峰(1963 ),男,博士,教授,主要从事固体激光技术方面的研究。E mail:W Y Fmail@https://www.doczj.com/doc/a017379581.html, 1 引 言 复眼透镜由一系列子透镜组合而成,形成空间上的微透镜阵列。将复眼透镜应用于照明系统中可以获得高的光能利用率和均匀的照明效果,其光束匀化能力在投影显示等领域已经得到广泛的证明 [1~5] 。而在高功率固体激光抽运中,抽运均匀性 直接与激光介质的温度分布、应力分布相关联,会影响到激光器能否实现高光束质量的激光输出以及激光器的能量转换效率[6~9]。因此将复眼透镜引入到 激光二极管(LD)抽运耦合系统中作为LD 阵列的光束整形器件,对于提高LD 抽运的均匀性具有重要意义。但是与投影显示中光束整形不同,LD 阵列的光束整形具有它的特殊性:抽运功率密度是激光抽运源的重要技术指标,因此针对LD 抽运做光束整形时通常要求压缩光斑尺寸以提高抽运功率密度;LD 阵列光源中单个发光点的光束是相干光而发光点之间不相干,这种局部相干性是如何影响复眼透镜整形结果的均匀性的,这是以抽运为需求的
鲍威尔棱镜Zemax 建模方法与激光光束整形的应用 在激光整型技术方面，1965年，Fridden 发表了第一篇无损耗激光整型技术，其利用几何的方法将单模的高斯光束整型为均匀光束。近年來，线形激光光束整型的文献日益增多。1986年，日本人Nakamura 使用复杂的旋转反射面机构使出射光束为线形分布。1989年，Powell 设计了一个单透镜，藉由控制曲率半径及锥形系数(Conic constant)，可以使圆形的激光光束整形为均匀的线形光束。此后，Powell 在1996年发表了可以将激光光束整形为D 型光束的光学元件。1994年，Frady 由Powell 的概念，发觉Powell 透镜难以使用在固态激光上，设计了非对称的单透镜组件，在两垂直轴的曲率半径及锥形系数不相同，此组件可用在非圆形入射的激光光源，将光源整形为均匀线形光源，但缺点为在不易对位(Alignment)且制作复杂。 鲍威尔棱镜（Powell Lenses ）是一种光学划线棱镜（非球面柱面镜），它使激光束通过后可以最优化地划成光密度均匀、稳定性好、直线性好的一条直线。鲍威尔棱镜划线优于柱面透镜的划线模式，能消除高斯光束的中心热点和褪色边缘分布。当约1mm 的准直激光光束打到鲍威尔棱镜的棱上时，如果将棱镜顶端部分放大可以看出，棱是圆弧状的，光线入射后发生折射，折射角主要由两个棱面所构成的角度决定，最后经过出射面时再发生一次折射，整个出射光线形成一道扇形光幕。 鲍威尔棱镜的特性之一，就是对入射光束的尺寸有严格要求，或大或小都会影响出射光线在目标位置的均匀性，而且一般要求入射光束的尺寸都比较小，正好适用于激光光束的特征；同时轴心的对准度也有影响，所以用起来会很不方便。厚度H 虽然不会影响出射光线的角度，但也会影响目标位置的均匀性。因此，鲍威尔棱镜的产品指标都会指明入射光束尺寸的要求，标注直径和厚度等参数，如图 25-1所示。 对于一般的曲面面型，可以由式（25.1）描述，其中 c 为曲率（半径所对应的），r 是以透镜长度单位为单位的径向坐标，k 为圆锥系数。圆锥系数对于双曲线小于–1，对于抛物线为–1，对于椭圆为–1到0之间，对于球面为0。如图25-2所示，当曲面的曲率半径和圆锥系数不同时，顶端局部面型曲线形状不同。 2 z = （25.1）
激光器类型的光束 最佳答案 me597rm112009-12-05 13:45:08 由于激光具有方向性好，高能量和单色性好等一系列优点，自六十年代问世以来，就受到科研领域的高度重视，推动了诸多领域的迅猛发展，尤其是激光在加工领域中的应用。传统的激光加工机在工业产品中，已得到了广泛应用，近年来在激光微加工方面也受到广泛重视。 激光微加工对生产具有小孔或细小沟槽结构复杂的电子器件、医疗和汽车制品有重大意义。因为这类产品孔的直径和沟槽尺寸越来越小，而这些尺寸的公差越来越严格。只有激光才能满足对微加工零件提出的从1μm到1mm的所有要求。激光加工热作用区域小，可以准确地控制加工范围和深度，保证高的重复性，良好边缘和广泛的通用性[1]。 在微系统制造中，人们广泛采用硅各向异性刻蚀和LIGA(利嗄)技术加工各种微型结构。前者适合加工硅的二维结构和小深宽比的三维结构；后者能够加工精密的三维结构，不仅适用于硅而且也适用于加工金属、塑料和陶瓷。然而这种技术要求的条件比较苛刻，它需要同步辐射X射线源，而且模的制作也很复杂，因此很难普及。还有一点也必须指出，LIGA工艺与IC不兼容，这在一定程度上限制了它的使用。 90年代初发展起来的激光微加工工艺既能加工出较为复杂的微型结构，且所要求的条件又不那么苛刻，在实验室和工厂较容易实现[2]。 激光微加工所涉及的应用领域较宽，本文着重介绍激光束在UV（紫外）波段或532nm和1. 06μm段激光微加工的应用,工作状态为脉冲状态,加工应用的范围为微电子和微机械（MEM S）。激光束的其它应用不在本文赘述。 2.脉冲激光直接微加工技术 脉冲激光直接微加工技术是利用高能量激光脉冲对固体直接加工，主要是基于激光烧蚀过程。在烧蚀过程中，固体材料所吸收的激光能量使材料从加工表面喷射出来。激光和固体间的烧蚀作用与固体材料以及脉冲激光参数密切相关。脉冲激光参数主要包括激光的波长、脉冲宽度和脉冲强度。在适宜的条件下，几乎所有的固体材料脉冲激光都能够加工，而且现在经研究已经建立了多种材料的脉冲激光加工参数[3]。 图一(a)所示的是一种常见的准分子激光加工设备的主要结构。激光光束经过一系列器件，包括快门、可调衰减器、光束整形器和归一化器，最后照射到掩模上。在这个结构中，光束整形器改变光束形状，使其近似为正方形，然后归一化器再把光分成许多光束，每束光从不同方向照射掩模（图一(b)）。这不仅提高了光照射的均匀性，同时也引入了离轴元件。离轴光照射可以完成垂直结构甚至钻蚀结构的加工，而使用传统的平面光照射无法加工出这样
激光二极管的特性 激光二极管的特性 1、伏安特性 半导体激光器是半导体二极管，具有单向导电性，其伏安特性与二极管相同。反向电阻大于正向电阻，可以通过用万用表测正反向电阻确定半导体激光二极管的极性及检查它的PN结好坏。但在测量时必须用1k以下的档，用大量程档时，激光器二极管的电流太大，容易烧坏。 2、P—I特性 激光二极管的出射光功率P与注入电流I的关系曲线称为P-I曲线。 注入电流小于阈值电流Ith时，激光器的输出功率P很小，为自发辐射的荧光，荧光的输出功率随注入电流的增加而缓慢增加。 注入电流大于Ith时，输出功率P随注入电流的增加而急剧增加，这时P—I曲线基本上 是线性的。当I再增大时，P—I曲线开始弯曲呈非线性，这是由于随着注入电流的增大，使结温上升，导致P增加的速度减慢。 判断阈值电流的方法：在P—I特性曲线中，激光输出段曲线的向下延长线与电流轴的交点为激光二极管的阈值电流。 3、光谱特性 激光二极管的发射光谱由两个因素决定：谐振腔的参数，有源介质的增益曲线。 腔长L确定纵模间隔，宽W和高H决定横模性质。如果W和H 足够小，将只有单横模TEM00存在。 多模激光二极管在其中心波长附近呈现出多个峰值的光谱输出。单纵模激光器只有一个峰值。 工作在阈值以上的1mm腔长的增益导引LD的典型发射光谱 激光二极管是单模或多模还与泵浦电流有关。折射率导引LD，在泵浦电流较小、输
出光功率较小时为多模输出；在电流较大、输出光功率较大时则变为单模输出。而增益导引LD，即使在高电流工作 下仍为多模。 折射率导引激光器光谱随光功率的变化 发射光谱随注入电流而变化。IIt 发射激光，光谱突然变窄。因此，从激光二极管发射光谱图上可以确定阈值电流。当注入电流低于阈值电流时光谱很宽，当注入电流达到阈值电流时，光谱突然变窄，出现明显的峰值，此时的电流就是阈值电流。 IIt 激光辐射 4、温度特性 半导体激光器的阈值电流随温度的升高而增加，变化关系可表示为： T/T0) Ith(T)?Aexp(式中T0是衡量阈值电流Ith对温度变化敏感程度的参数——叫特征温度，取决于器件的材料和结构等因素，T0值越大，表示Ith对温度变化越不敏感，器件的温度特性越好。A是常数。 因Ith随温度升高而增大，因此P—I特性曲线也随温度变化。随着温度升高，在注入电流不变的情况下，输出光功率会变小。这就是为什么LD工作一段时间后输出功率会下降。 阈值—温度特性与其结构有关，一般说，异质结构比同质结的温度特性好。 温度变化还将引起激光器输出光谱的改变，出现跳模（mode hop）现象。原因：温度改变，使腔的参数（折射率， 腔长）发生较大变化，引起激发模式发生变化。在模式跳跃之前，因折射率和腔长随温度升高而有少量增加，致使波长随温度升高而缓慢增大（下图a）。如要避免跳模，必须增大模式间隔（下图b）。 对于多模增益导引半导体激光器，波长随温度的变化是由于带隙随温度变化而产生的，温度变化主要影响光增益曲线而不是腔的参数，因此变化曲线是连续的(下图c)。 半导体激光器必须加制冷器，进行温度控制。