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激光二极管的像散

2021-8-3 23:31| 发布者：optkt| 查看：2159| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了半导体激光器（激光二极管）的像散问题，并详细介绍了如何计算和测量像散。通过刀口法和狭缝法测量，可以得到可靠的像散值，对于激光二极管的应用具有重要的参考价值。

半导体激光器又称为激光二极管（Laser Diode，LD），是指通过一定的激励方式（常见的是电子注入），以半导体材料作为工作物质而产生激光的激光器。由于LD有较高的电-光转换效率、体积小、重量轻、寿命长、可靠性高、波长覆盖范围广、成本低等优点，已经逐渐发展成为当今最重要的激光器之一。

由于非对称波导的影响，LD输出的光束在垂直于结平面（快轴）和平行于结平面（慢轴）的两个方向上由不同的发散角，而且两个方向的束腰也不在同一个位置上，即存在固有像散。

LD输出的光束必须要经过整形才能实际应用，因此，计算或实际测量LD的像散是非常重要的。

1）LD像散的计算

在LD的指标书中，一般都没有给出像散的值，但是大都会给出LD的发光区大小（比如1um×50um，1um×100um等），快轴θ_⊥和慢轴θ_∥的发散角大小。

需要注意的是， LD的指标书中一般用半高全宽 FWHM 定义远场发散角（全角），即光功率下降为最大光功率的一半时的发散角。

但是，在ZEMAX中，高斯光束使用 Apodization Type 切趾类型中的 Gaussian 来仿真。当 Apodization Factor=1，边缘光线对应的光强为中心光强的1/e² (≈13.5%)。

基模高斯光束的FWHM与1/e2发散角的变换关系如下：

以下是LD像散计算示意图：

上图中，发光面上，快轴方向可看成是从点Oy发光，其发散角较大，慢轴方向可看成是从发光面两端发光（反向延长后交点在Ox），其发散角较小。t为像散，θx为θ_∥的一半（1/e²），L为慢轴方向的发光区大小。由此，可简单计算得到像散为

例如：一款LD的发光区大小为1um×100um，发散角大小（FWHM）为40°×10°，计算该LD的像散As。

A）计算慢轴的θ_1/e2

B）计算像散As

通过以上计算得到的像散大小，可以作为光学仿真的初步参考，也可以和实际测量的像差值作对比。

2）刀口法测量LD像散值

刀口法可以用来测量高斯光束的光强分布、远场发散角、透镜的MTF，也可以用来测量LD的像散值。

刀口法测量LD像散值的系统，包括了LD、透镜、刀口、光电探测器或光功率计。

测量方法：

A）激光二极管（LD）是被测光源，发射激光束经过透镜聚焦，形成不同角度的光束完整地打到光电探测器或光功率计上。

B）将刀口安装在位移台（例如螺旋测微器或多维调整架）上，并置于快轴光束的边缘位置。

C）横向移动刀口位置，使刀口缓慢截断光束，并测试刀口位置与透过功率的关系。

D）可以采用25%/75%或10%/90%刀口测量方法，利用测试得到的数据，拟合出在该位置的光束直径。

E）前后移动刀口位置或LD位置，按照上述方法多次测试新位置处的光束直径，并找到快轴焦点(光束直径最小)的位置。

F）将刀口旋转90°，并置于慢轴光束的边缘位置。

G）采用上述的方法，找到慢轴各个位置处的光束直径，并找到慢轴焦点的位置。

H）快轴和慢轴焦点位置的差值就是LD像散差As。

3）狭缝法测量LD像散值

狭缝法测量LD像散值的系统，包括了LD、透镜、分束棱镜、光功率计、相机、横缝光阑和竖缝光阑。

测量方法：

A) 激光二极管（LD）是被测光源，发射激光束经过透镜聚焦，形成不同角度的光束打到分束棱镜上，一部分透射形成透射光束，另一部分反射形成反射光束，使用相机监控反射光束的光斑形态。

B) 将横缝光阑安装在光功率计上，并可以随着光功率计上下移动。

C) 在光功率计上下移动的过程中，根据光功率计实时测量的透射光束的功率，选取光功率的峰值位置作为目标位置，如果光功率峰值不止一个，那就选取最中间峰值位置作为目标位置。此时，这个目标位置就是快轴或慢轴的焦点位置。

D) 将竖缝光阑安装在光功率计上，替换横缝光源，并固定光功率计的位置。

E) 使用位移调整架，将LD向前或向后移动，再次找到光功率的峰值位置，此时处在慢轴或快轴的交点位置。

F) 向前或向后移动LD的距离，就是LD的像散值As。

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