半导体二极管激光器光学剖析.docx
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半导体二极管激光器光学剖析
第!
"卷!
第#期
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*+,’)$
$%%!
年$月
!
"#"$%&’(
-./)$%%!
不产生粒子数反转5$!
26"在我们的情
况下!
脉冲间的振动能级激发有效
地支持自持放电"
因此!
在自持放电上叠加纳秒
电短脉冲是提高横向自持放电34#
激光器抽运效率有前途的方法!
而
无需改变它的结构"这可以提高激
光效率!
并在使用高含量氮的无氦
混合气体中用简单电极7非分段电
图!
不同成份的"#$%&$%’(混合气体的复合放电抽运时的效率的相对增量与纳秒
极8工作时没有放电收缩"在这种
源功率!
)*与自持放电功率!
比值的关系
情况下!
改善了激光器的工作特
效率增大!
增量达到001"由图#
生电离!
在非自持放电中不会发
性#增大了电流调节范围$简化了
和图2可以看出!
在脉冲电离情况
生"如果复合非自持放电中电脉冲
放电点燃!
并在大电流时提高了放
下!
使用氮含量大的混合气体是有
重复率较低!
在某时间间隔内电子
电的稳定性和均匀性"
利的"在自持放电中!
脉冲间也发
密度会降低到这种程度!
以致34$
参考文献
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"#"$%&’( -./)$%%! 束性质是它的偏振态! 典型的是线 偏振! 其电场平行于结平面*这个 性质反映这样的事实! 对于平行于 结的偏振光7即#! 8! 其增益多少要 比垂直偏振光7下文的#"8高*与 #"相关的导向模在$方向要比与 #! 相关的模略为加宽*因为加宽模 比紧凑模与增益介质层交叠得少! 所以当紧凑模超过阈值并开始产 图"为限定激光模! 用导向层包围激活层组成半导体二极管激光器"通过正电极注入 生激光时! 加宽模还未达到*而且! 电流! 由在结对面的接地电极收集电流 限制电子和空穴在薄激活层7量子 质和覆盖层也是高透明的" 步在水平方向加宽7比无像散时8! 阱8! 对#! 7相对于#"8更易使激发 图$表示在单横模二极管激 相位分布显示峰? 谷变化@*2%! " 电子和空穴释放出光子并返回基 光器0! %123%456前方的强度和相 在激光器向前方发射的光束! 态*实际上#偏振超过# ! 是两种 ! " 位分布图"在结平面光束发散角 呈椭圆截面是合理的7由于衍射8! 效应组合的结果* 7半高全宽8是"! 19! ! 与结垂直方 对于" 远小于"的情况"在激光 ! " ! 二极管激光像散的起源 向是""1: ;! "在图$上方一行的图 激活区内产生像散是由于非均匀 0<#$%/8中! 显示光束没有像散! 在 增益剖面7沿"轴8的原故"由于靠 沿"轴增益剖面的非均匀性! 激光器前方的相位分布均匀"在中 近腔的光轴增益最高! 光辐射在腔 对波导模具有聚焦作用! 迫使沿腔 间一行的图0=&$%>8! 像散距离7定 中沿! 轴传输时! 光束向光腔轴产 ! 轴传输的光束自动形成发散的相 义在自由空间中水平束腰和垂直 生(增益聚焦)效应! 结果是沿腔轴 位波前*用光束传输方向7DEF6B#C 束腰之间的等价距离8是#! 1 比两侧有更强的放大B*C*因而! 对应 研究通过增益介质的光束传输很 *%! 5! 沿"轴轻微展宽光束! 相位 光束向中心塌陷的趋势! 发散相位 容易证明这一点*图: 7<6表示典型 波前发散! 其峰? 谷变化7即束的边 剖面自动形成*关于这个性质! 下 二极管激光横截面的增益和损耗 缘到中心8是@*$%! ’在底行图7.&$ 面会详述* 分布*在增益层中间部分的增益最 %A8! 像散距离#! 1$;! 5"光束进一 另一个感兴趣的二极管激光 高! 沿"轴以高斯型下降! 在远离 中心轴! 的区域变为损耗区*在沿 腔! 轴传输期间! 光束截面的相位 剖面类似于图: 7/6所示*其中高折 射率导向层使相位相对于低折射 率基质和盖板超前*具有较高折射 率的增益介质7红色6使相位更超前 于导向层7橙色6! 但增益层薄! 对于 限制模沿$轴的贡献显然很小* 同时! 图: 7<&+%/6表示的截面 强度分布和相位分布确定了以光束 传输方法模拟二极管激光使用的振 幅? 相位掩模剖面"这种特殊掩模以 图#$%&’$()二极管激光器! ! %*! +"%! ! ! 在前方的强度-左.和相位-右.的对数平 #! 1%)*! 的间隔放置在折射率%%1 : ): 的介质中"波长! 在这个环境中 面图"在极大和极小之间强度变化范围是! 1! %"$3"在图-/&$%4.中! 光束没有 是! %G%%! 其中! %是激光束的自由空 )/0 )2( 像散"在图-5&$%6.中! 在水平的和垂直的束腰之间像散距离-在自由空间."% 7$)! 沿0轴有较宽的光束! 和发散的相位花样! 从中心到边缘位相变化是 间波长"对于入射到掩模上的均匀 7#$! "在图-8&$%9.图中! 像散距离 "%#,)! 光束进一步加宽! 并且相位分布表 光束! 其透射强度和相位分布分别 明峰: 谷变化;7&$! 如图: 7<&$%/6所示"假设增益介质 7< 第! "卷! 第#期 &’()! *+,’)$ $%%! 年$月 ! "#"$%&’( -./)$%%! 图! 以光束传输方法"#$%&模拟二极管激光束所用的两个振幅’相位掩模的剖面""(&$%)&表示掩模*的振幅和相位剖面*"(&+%+&相应于掩模,的振幅和相位剖面"增益介质是在两个-./ 厚波导层之间的-.,/ 厚的夹层式膜层""(&均匀入射光束的透射强度分布"在中心的振幅增益是*.-,/! 沿! 轴逐渐变到-.0/"损 耗&值"在激活层外! -.00/振幅透过率表示有弱背景损耗"")&掩模*的相位 1.*,! "在激活层内&! 在波导层中是/.2! 3在基质和盖板中是-! ""+&掩模,4振幅剖面与"(&相同5的相位! 在激活层中心是2./! ! 在远离轴的激活层内是1.*,! *在 导向层中是/.2! ! 在基质和盖板中是-! 像散"然后给出用图67>&$%;5所示的振幅? 相位掩模$得到的模拟结果! 揭示折射率’反向导向(的增益介质7由粒子数反转引起5可能进一步增加感应像散) 图! 上方一行的图表示用掩 模"在光束传输方法8%%步后的 7>5强度! 7/5强度的对数和7;5相位 图形"每步对应在折射率#%96)6的 介质内传输%)"! 的距离! 在本模拟 中总传输距离是@"A! B"看到的限 制在导向层中的光! 仅以微小的分 数值泄漏7即逐渐消失5到基底和盖 板中"逸出导向层的光最终以散射 或衍射损失到系统外"在图! 7;5 是在构成导向板的两个%)0! 1厚低折射率层之间%)#0! 厚的夹层式膜层"在激活层中心的振幅增益是 *)#02每传输%)*! ""以高斯型沿! 轴 逐渐变小! 同时在"方向保持均匀" 激活层外的介质背景损耗很小2掩 模振幅透射率%)3304! 但是在增益 层内和远离中心轴区域! 光振幅以 %)30因子衰减2每传输%)*! 5"在图6 7/5中! 掩模的相位在激活层内是 8)*$! +在两相邻导向层是0)! ! ! 而在 基底和盖板区是%! "这意味着! 例 如! 如果基底和盖板材料的折射率 是#%96)6! 则导向层的折射率#*96)! 0! 激活层介质的折射率#$96)! : " 实际上! 抽运增益介质使其局 部折射率下降! 所以比较实际的相 位掩模应类似于图62;5所示的! 其 在激活区中心的相位下降到! )0! 2相 应于##96)! #05"相位从这个极小值起沿! 轴以高斯型增加! 在激活层 的高吸收区达到8)*#! "这导致沿! 轴反向导向2由于在激活层内折射 率不均匀5"在激活层内的高斯相位 剖面迫使激光束沿! 轴发散! 超过仅由增益剖面产生的发散<6! ! ="其余的掩模与图62/5中的情况一样"下 面首先给出用图62>#$%/5所示的振幅? 相位掩模"用传输方法的模拟结果! 确认仅由增益剖面引起的 中! 沿! 轴的峰? 谷相位变化为 *8%! ! 相应于几个微米的像散发散 光束"图! 下方一行的图与上方一 行的类似! 不同的是用掩模$得到的"与增益介质无折射率反向导向情况下比! 光束沿! 轴略有加宽"图! 7C5中峰? 谷相位变化是*: 0! 7沿! 轴5+对应着比图! 7;5情况有更大像散的发散束" 图! 7D5表示在上述模拟中得 到的光束功率与传输距离$的关 系"开始光功率下降! 因为初始光束对波导结构进行自身调整! 挡掉了与波导模剖面不匹配的光"然后增益介质起作用! 光功率指数上 图2在1--步光束传输方法后的"(&强度! ")&强度的对数! "+&相位图形"在这些模拟中所用振幅’相位掩模*如图! "(&$%)&所示"看到的限制在导向层中的光! 以弱的逐渐消失的尾部泄漏到基质和盖板中"在"+&中! 沿6轴峰’谷相位变化为*1-! "下面一行4"7&8%9&5与上面一行4"(&8%+&5类似! 不同的是用掩模,得到的! 掩模,如图! "(&$%+&所描述"在图"9&中! 峰’谷相位沿! 轴变化是*: /! "图";&表示在光束传输方法模拟中! 光束功率与传输距离的关系 *: 第! "卷! 第#期 &’()! *+,’)$ $%%! 年$月 ! "#"$%&’( -./)$%%! 图"用无像差透镜捕获和准直从二极管激光器发出的单横模光束! 然后用剪切干涉仪分析"光束截面中任何相位改变都在剪切干涉图上以条纹形式表现 升! 因为限定模沿光轴传输" ! 剪切干涉仪 用无像差透镜捕获和准直单横模二极管激光束! 然后用剪切干涉仪分析! 如图0所示"剪切板产生两个全同的准直光束的复制束! 沿! 轴或"轴彼此有相移"同一光束的两个复制束在观察平面上叠加产生干涉图! 显示准直光束的相位结构"在准直镜出射光瞳上的任何相位不均匀性都在干涉图上以强度变化1即条纹2表现" 对! %345%67二极管激光器发射的8! "90! 光束! 图: ;左面<给出在 位于%): #$准直透镜出射光瞳后面 *%77平面上的强度1上图<和相位"该透镜位于距激光束两光腰之间的中点%3! )477处! 显示的相位花样分别对应于像散"&3*%! 7! $%! 7! 9%! 7"对固定剪切量"! 3 图#左图$位于图"的准直镜出射光瞳 %)8771水平方向<和""3$)%771垂 外$%&&平面处的强度’上图(和 直方向 图: 右方给出在剪切板观 相位"%)#! "的透镜位于激光束 ’%*+,%-&.! */! ."*0"! 1两光腰 察窗观测到的强度花样#从上到下! 之间中点有一个焦距’#*! )+&&1" 激光器的像散分别为"&3%! *%! 7! 右图$在剪切板’$*%)/&&.%* $%! 7和9%! 7" 2)%&&1观察窗上的强度花样"从 "用柱面透镜准直光束 上到下! 激光器的像散分别为 %&! $%&! 2%&和0%& 图/用一对柱面透镜准直二极管激光束" 第一个透镜将光束沿快轴准直! 而第二个透镜将光束沿慢轴展开 *)04=*>%)%! ! 00;’? ’%<$@的梯度折射率材料制成"透镜的净孔径"! 3 0)%77! ""3")$77"激光器前表面 与该透镜第一表面之间的距离是 %)9! 577"用折射率(3"): 0均匀玻 璃制成的平面>柱面第二个透镜与 第一透镜相距%)94877"其厚度;沿 光轴方向<是9)$77! 长077! 曲率半径977! 净孔径")077"透镜表 面皆涂消反射膜" 图5表示在图8平面>柱面透镜后%)977处的观察平面上计算的强度和相位图形"透镜对捕获的光功率约5%A! 在观察平面上的均方根波前像差为B%)"4! "同样的透镜对1轻微调整两镜间的距离 在 目前激光束像散情况! 可用于准直而不引起波前质量任何退化" 在光束准直前通过沿光束的慢轴传播! 则柱透镜对能够调节束截面的椭圆度"当然! 第二透镜需要的物理参量与希望的准直束的短轴和长轴比有关! 但是! 原则上任何椭圆度都能达到"这样! 柱面透镜对不仅能将二极管激光器的发散光束准直! 而且还能使光束截面整形1特别是成圆形<" 用柱面透镜准直二极管激光 束! 如图8所示"其中第一个透镜负 责沿快发散轴准直光束! 第二个透 镜负责沿慢轴扩束"当发散角度大 时! 具有梯度折射率的柱面透镜提 供更好的准直能力! 以及对剩余像 差的更好修正" #渐变放大和光束压缩 考虑一具体的例子"波长! %3 图4表示经渐变棱镜沿! 轴扩 45%67! #! 38! ! #"390! +像散"&3%的 展光束后! 用无像差透镜使二极管 单横模光束"第一个透镜是半径’%3 激光束准直"这种准直的渐变放大 *)077! 长077柱形棒! 它由(1’<3 光束接着用无像差透镜聚焦! 其效 $, 第! "卷! 第#期 &’()! *+,’)$ $%%! 年$月 ! "#"$%&’( -./)$%%! 果与最初对准直光束进行聚焦一 样"由于激光束发散角在平行和垂 直于结面有很大不同0即! ! "! #1! 沿! 轴的准直光束直径一般比沿" 轴的小很多"沿! 轴扩展光束! 直至 充满聚焦透镜的入射光瞳! 则能得 到本质上比在激光器前表面出现的 亮斑还小的光斑" 图*%表示在图2系统几个截 图! 从图"所示的透镜对射出的激光束#$%&! ’()*! %"! *#%+,! ! 像散! %’-的强 面上的强度和相位计算图"激光参 度#.-和相位/01图形"对本模拟中选择的特殊透镜! 光功率透射率2! ’3! 均方根 量取"%324%56! ! ! 37! ! ! #389! ! 像 波前像差’45&! 孔径截面上的峰6谷相位差为27! ’! 散##3%"准直镜和聚焦透镜数值孔 径$%3%): ! &3! )266! 棱镜对的放 大因子’39)9;沿! 轴<足够使光束 截面圆形化"图*%的顶行表示在 激光器前面的光束! 第二行表示进 入棱镜之前光束的椭圆截面! 其纵 横比=9)9"从棱镜对出射的光束呈 圆形0见第三行<"最后一行表示聚焦 平面上的聚焦斑点#把激光器前表 图& 二极管激光束准直后! 用棱镜对整形! 沿8轴将光束扩束"接着用与准直所用相 面亮椭圆斑点压缩而成的像有圆对 同的无像差透镜将准直$渐变放大的光束聚焦 称性! 沿! 轴显著减小了直径" 图**与图*%情况相似! 但将 二极管激光器沿! 轴位置移动到 ! 3>$%! 6"光束的准直和渐变放大 工作如前述! 但是从准直镜出射的 光束与#轴倾斜约$8! "棱镜对沿 ! 轴将光束放大=9)9倍! 同时也将 光束的倾斜减小相同倍数"净结果 是把激光器前表面的亮椭圆斑点 像! 除了尺寸被压缩之外! 还使它 更靠近光轴;! 3? 8): ! 6<"这是一个 很重要的结果"例如! 可用于非相 干激光束的压缩"典型的高功率多 横模二极管激光可能有如上述;即 7! "89! <相同的发散角! 但是! 在前 表面上的亮斑很大! 比如! ="" 9%! 6$"这样! 激光的辐射剖面可认 图5’在图&系统几个截面上的强度/左1 图55与图5’情况相同! 但所用二极管 为是由大量互相不相干的光丝构 和相位/右1的对数值分布"透镜的数值孔 激光器沿8轴向左位移7’)! 将 成! 每个都类似于二极管激光器的 径"#%’49! $%: 4&"棱镜由%%54"7玻璃制 /<-与/>-相比较! 看到通过棱镜对 相干光束;即单横模<"因此! 如果非 成! 其顶角为9&! "/.%$&0-是在激光器前表 之后! 准直光束的倾角有显著减 相干激光中心的光丝与图"%描述 面! /;%$&<-在准直镜出射光瞳的! 刚好进 小"激光束的像! 除被圆形化之外! 入棱镜对之前! /=%$&>-从第二个棱镜进入! 更靠近在&%’的光轴! 如图/? %$ 的相干光束全同! 则图""就代表 /? %$&@-聚焦透镜的焦平面 &@-所示 边缘的光丝"用图2的系统能这样 5& 出师表 两汉: 诸葛亮 先帝创业未半而中道崩殂,今天下三分,益州疲弊,此诚危急存亡之秋也。 然侍卫之臣不懈于内,忠志之士忘身于外者,盖追先帝之殊遇,欲报之于陛下也。 诚宜开张圣听,以光先帝遗德,恢弘志士之气,不宜妄自菲薄,引喻失义,以塞忠谏之路也。 宫中府中,俱为一体;陟罚臧否,不宜异同。 若有作奸犯科及为忠善者,宜付有司论其刑赏,以昭陛下平明之理;不宜偏私,使内外异法也。 侍中、侍郎郭攸之、费祎、董允等,此皆良实,志虑忠纯,是以先帝简拔以遗陛下: 愚以为宫中之事,事无大小,悉以咨之,然后施行,必能裨补阙漏,有所广益。 将军向宠,性行淑均,晓畅军事,试用于昔日,先帝称之曰“能”,是以众议举宠为督: 愚以为营中之事,悉以咨之,必能使行阵和睦,优劣得所。 亲贤臣,远小人,此先汉所以兴隆也;亲小人,远贤臣,此后汉所以倾颓也。 先帝在时,每与臣论此事,未尝不叹息痛恨于桓、灵也。 侍中、尚书、长史、参军,此悉贞良死节之臣,愿陛下亲之、信之,则汉室之隆,可计日而待也 。 臣本布衣,躬耕于南阳,苟全性命于乱世,不求闻达于诸侯。 先帝不以臣卑鄙,猥自枉屈,三顾臣于草庐之中,咨臣以当世之事,由是感激,遂许先帝以驱驰。 后值倾覆,受任于败军之际,奉命
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