基于980nm半导体激光器光束准直系统的设计(编辑修改稿)

基于980nm半导体激光器光束准直系统的设计(编辑修改稿)内容摘要：

目的 和研究意义。 并简单介绍了 980nm 半导体激光器 目前国内外的发展现状和 应用 ，主要针对激光束的准直技术发展和国内外研究成果进行了概述性的介绍。 清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 9 页 共 34 页 2 半导体激光器 2． 1 半导体激光器 的基本 原理 半导体激光器是利用半导体中的电子光跃迁引起光 子 受 激辐射而产生的光振荡器和光放大器的总称。 受激辐射 在物质的原子中，存在许多能级，最低能级 1E 称为基态，能量比基态大的 能级 Ei(i=2, 3, 4 „) 称为激发态。 在正常状态下，电子处于低能级 1E ，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级 2E 上，这种跃迁称为受激吸收。 电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴。 在高能级 E2 的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级 1E 上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射。 电子在 1E 和 2E 两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件 ： 1212 hfEE  （ ） 其中 sJ106. 62 8h 3 4  ，为普朗克常数， 12f 为吸收或辐射的光子频率。 在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。 能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带。 依照量子理论，在 热平衡状态下 电子按能量分布遵从 费 米 狄拉克 分布 ：   TEEke x p11Epf （ ） 其中 k 为波兹曼常数， T为热力学温度。 fE 称为费米能级。 高能级占有的电子数比低能级的电子数少，因此总的来说光被吸收。 但是若给系统提供能量实现分布反转则产生净的光辐射而获得光放大。 这就是激光作用的基本原理。 实现 条件 就基本原理而论，半导体激光器和其它类型的激光器没有根本的区别，即都 是基于受激 辐射。 要使激光器得到相干的、受激光输出，须满足 两个条件，即粒子数反转条件与阈值条件。 清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 10 页 共 34 页 粒子束反转条件 是必要条件，它意味着处于高能态的粒子 (如半导体导带中的电子 )数多于低能态的粒子数。 达到这一条件，有源工作物质就具有增益。 实现半导体中的反转分布 ， 最有效的方法是由价带的电子激发到导带形成大量的电子 空穴对实现。 在半导体 PN 结上 施加正向电压 ， 产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强 [4]。 电子运动方向与电场方向相反，便使 N 区的电子向 P 区运动， P 区的空穴向 N 区运动，最后在 PN 结形成一个特殊的增益区。 增 益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布。 阈值条件 是充分条件 ， 它要求粒子数必须反转到一定程度，即达到由于粒子数反转所产生的增益能克服有源介质的内部损耗和输出损耗 (激光器的输出对有源介质来说也是一种损耗 )，此后增益介质就具有净增益。 阈值条件为： 211ln21 RRLath  () 其中 th 为阈值增益系数， a为谐振腔内激活物质的损耗系数， L 为谐振腔的长度，1R 、 2R 1 为两个反射镜的反射率。 半导体激光器的器件结构 围绕着不断提高半导体激光器的性能以满足日益增涨的应用，已发展了许多半导体激光器的结构。 下面将要介绍几个典型的半导体激光器结构。 异质结半导体激光器 （ 1） 双异质结半导体激光器 (DH) 这种结构识将有源层加在同时具有宽带隙和低折射率的两种半导体材料之间，以便在垂直于结平面方向有效地限制载流子与光子。 1970 年基于此结构实现了 GaAlAs／GaAs 激射波长为  m 的半导体激光器在室温下连续工作。 在此以 GaAs 半导体激光器为例说明半导体激光器的基本原理和结构。 其结构概略如图 所示，在正向偏压下，电子和空穴分别从宽带隙的 N 区和 P 区注入有源区．它们在该区的扩散又分别受到PP 异质结和 PN 异质结的限制，从而可以在有源区内积累起产生粒子数反转所需的非平衡载流子浓度。 同时，窄带隙有源区有高的折射率，与两边低折射率的宽带隙层构成了一个限制光子在有源区内的介质光波导。 清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 11 页 共 34 页 图 双异质结半导体激光器结构 双异质结构成功地解决了在垂直于结平 面方向对载流子和光子的限制问题。 针对有源区的载流子和光子在平行结平面方向的限制问题，研究人员提出了条形结构，这是半导体激光器发展史上的一个重要里程碑。 （ 2） 条形激光器 条形结构是激光器的阈值电流大幅降低 ， 改善了近场与远场 ， 纵模与横模特性，提高了器件的可靠性。 最早的条型激光器是采用电极条形或质子轰击条形 ，在平行结平面方向的光学限制是所谓的“增益波导”。 实质上，它只是限制电流流经的通道，这种限制不可避免地存在注入电流的侧向扩展和注入载流子的侧向扩散。 增益波导对光场的侧向渗透实际上没有限制作用，其所谓光波导作用 只是相对于损耗而出现的光的净增益区域。 依照在横向利用有源层与两边限制层折射率之差所形成的强的光波导效应，在平行结平面方向也设计了类似的折射率波导。 折射率波导充分体现了条形结构的优越性，已成为半导体激光器的基本结构形式，已广泛用于 CD 唱机，激光打印和光纤通信系统中。 量子阱半导体激光器 一般的双异质结半导体激光器的阈值电流密度 Jth与有源层厚度的关系如图 所示，最佳的有源层厚度在。 超过此值后 Jth随着有源层厚度的增加而线性增加，这是因为随着有源层厚度的增加，载流子的扩散减少了在 同样注入电流下注入有源区的载流子浓度或注入电流密度，这也等效于减弱了异质结势垒对载流子的限制能力。 而过薄的有源层厚度会因为光场渗透逸散致使异质结波导能力减弱，使较多的光子损耗与有源层之外，阈值电流密度增加。 尽管在最佳的有源层厚度下，异质结势垒和光波导清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 12 页 共 34 页 效应对有源层中的电子和光子有较好的限制能力，但它们仍处在厚有源区中状况，即电子仍具有三个自由度，也就是图 所反映出来的只是同一性质下的量变过程。 图 双异质结激光器中的 Jth与有源层厚度的关系 60 年代末期，贝尔实验室的江畸 (Esaki)和朱肇祥首 先提出，当所生长的晶体厚度薄到半导体中电子的德布罗意波长 (约为 10nm)或电子平均自由程量级 (约为 50nm)时，这种超薄层晶体中的电子与块状晶体中的电子有完全不同的性质，即出现量子尺寸效应。 量子阱半导体激光器正是利用这种量子尺寸效应工作的。 量子阱是窄带隙超薄层被夹在两个宽带隙势垒薄层之间。 如果窄带隙与宽带隙超薄层交替生长就能构成多量子阱(MQW)。 在 MQW 中 如果各阱之间的如果的电子波函数发生一定程度的交叠或耦合，则这样的MQW 也就是超晶格就犹如在晶体中微观粒子做周期有序排列一样。 量子阱结构的半导体激光器 ，其阈值电流可以达到亚毫安级，调制带宽达数 10GHz。 量子阱电吸收调制器的调制带宽可以在 10GHz 以上，而量子阱雪崩光电二极管的增益带宽积可达 700Hz以上。 清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 13 页 共 34 页 表面发射激光器 图 平面腔表面发射激光器 （ (a) 光栅耦合 (b)450镜 结 构 ） 由图 看出，相对于一般的端面发射半导体激光器而言，光从垂直于结平面的表面发射已构成半导体激光器的另一种基本结构。 从 70 年代末期发展起来的这种激光器越来越显示出它的优越性。 最早考虑表面发射是基于这种发射方式便于制成二维列阵、容易得到有利于与光纤高效率耦合的圆对称的远场特性。 最初采取相通常双异质结类似的结构，光子振荡方向平行于衬底，因而称为平面腔。 一种结构是采取布喇格光栅从有源区耦合出激光，如图 (a)所示。 另一种结构是通过微加工技术在有源层的一端制成 45o 反射面镜，反射光从表面输出，通过控制该面镜的反射率来控制激光振荡强度，如图 (b)所示。 这类平面腔结构只是简单地变半导体激光器的端面输出为表面输出，很难得到 无像散的高质量光束；由于受腔长的限制，不可能从表面得到输出功率一致的二维列阵激光源。 况且，布喇格光栅反射光束的方向随波长变化，而 45o 面镜结构输出光束质量取决于该镜的位置、方位和平整度。 由于受腔长限制也难以获得二维列阵，因此这类平面腔结构的表面发射激光器很难获得实际应用价值。 2． 3 半导体激光器的优缺点 优点： （ 1）体积小、重量轻 、价格便宜。 （ 2）可注入激励。 半导体激光器是直接的电子 光子转换器，因而它的转换效率很高。 理论上，半导体激光器的内量子效率可接近 100%。 （ 3）室温下可连续震荡。 （ 4） 覆盖的波段范围最广。 可以通过选用不同的半导体激光器有源材料或改变多清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 14 页 共 34 页 元化合物半导体各组员的组分，而得到范围很广的激射波长以满足不同需要。 （ 5）增益带宽宽。 在这个范围内可以任意选择激射波长，能够实现 宽带光放大器。 （ 6）具有直接调制的能力。 把信号重叠在驱动电流上，在直流到 GHz 波段的宽频范围内，可以调制振荡强度、相位和频率。 （ 7）相干性高。 用单横模的激光器可以得到空间上相干性高的输出光。 （ 8）能产生超短光脉冲。 采用增益开关和锁模等方法，以简单的系统结构就能获得从 ns 到 ps 的超短光脉冲。 （ 9）可批量生产。 （ 10）可靠性高，使用寿命最长。 （ 11）可单片集成化。 可以和光探测器、光调制器和电子电路元件集成在一个陈地上，得到高性能的单片集成器件。 缺点： （ 1） 温度特性差。 工作特性与温度有显著关系，环境温度变化可引起激射。 （ 2） 频率、阈值电流、输出光功率等变化。 （ 3） 容易产生噪声。 （ 4） 输出光发散。 输出光由端面以放射形式发出成为发散光，要获得平行光必须要有外部透镜。 2． 4 本章小结 本章主要 通过介绍 半导体激光器的 基本 原理 的，初步了解了半导体激光器的工作原理，简单介绍了 几个典型的半导体激光器结构 ，最后总结出半导体激光器与其他激 光器相比的优缺点。 清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 15 页 共 34 页 3 半导体激光器 的 光束准直 理论 半导体激光器光束质量非常差，所以在半导体激光器的实际应用中，对其光束的准直以提高其光束质量是一件非常重要的事情，这也是本文的主要工作。 在本章的内容中，将对 半导体 激光器光束特性做简单介绍，随后对半导体激光器的准直方法作介绍。 3． 1 半导体激光器的 光束特性 由于半导体激光器的特殊 结 构，造成了其光束与其他激光极为不同的远场特性。 如图 （ a） 在垂直于结平面方向，光束的束腰在激光器的解 理 面上， 如图 （ b） ,在平行于结平面方向，光束的束腰位于激 光发射腔内，因此这两个方向上的光束的束腰是彼此分离的，即具有简单像散性。 （ a）垂直于结平面方向的光束 （ b）平行于结平面方向的光束 图 激光器输出光束模型 对于一个发射极而言，由于在平行面方向发光区尺寸很大， 大约为 m500~100 (具体数值由输出功率决定 )， 此方向激光器不再会是处于基横模工作状态，在远场一般表现为双峰结构。 因此， 可以用离心高斯函数来描述此方向模式场分布。 3． 2 高斯 光束 的基本 理论 激光是一种光线束，它的幅射照 度 (或光强 )的分布是呈高斯型的，因此称之高斯光束。 对于半导体激光器 这类 高斯输出型激光器，以高斯光束为模型，对激光器的输出光束进行计算研究，能准确地反映光束的传输变化情况。 由于透镜的变换作用只改变相 位 而不改变光强的分布，因此高斯光束经透镜变换后仍保持高斯光束的形式。 高斯光束的特性主要由腰斑的大小和束腰的位置决定。 沿 z 轴传播的高斯光束 ,以其束腰位置为原点 ,等相位面的光斑半径 确定公式： fzw 2w(z) 0  （ ） 清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 16 页 共 34 页 其中 w0为基模高斯 光束的腰 斑 半径 ,f为高斯光束的共焦参数 ,且  20f w。 高斯光束在自由空间传播时是由束腰逐渐向两边发散的 ,发散程度用发散角 θ0来衡量 ,其定义为 : 00 2)(lim 2 wzzw   （ ） 如果高斯光束在空间传输时遇到透镜 ,光束参数就要改变。 分析可得，入射光束的束腰在透镜的前焦面上，经简透镜变换后的束腰在透镜的后焦面上，并且其腰斑达到极大值 [5]。 尽管高斯光束的特点是。