正文

半導(dǎo)體激光器快慢軸準(zhǔn)直誤差影響因素

一，引言

在單管合束光路的調(diào)節(jié)過程中，使用微透鏡夾持器對(duì)快軸準(zhǔn)直鏡(fast axis collimator，F(xiàn)AC)和慢軸準(zhǔn)直鏡(slow axis collimator，SAC)進(jìn)行夾持，整個(gè)夾持器安裝在高精度六軸調(diào)整架上，可以進(jìn)行x、y、z、βx、βy、βz六個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)，因此夾持器的運(yùn)動(dòng)通過調(diào)整架的六軸運(yùn)動(dòng)來控制。由于FAC的后工作距離半導(dǎo)體激光器腔面很小，所以對(duì)FAC和SAC的裝調(diào)需要在相機(jī)監(jiān)控下進(jìn)行精密操作，需要相機(jī)實(shí)時(shí)顯示光斑形狀、光斑尺寸、發(fā)散角等以便于調(diào)節(jié)快慢軸準(zhǔn)直鏡的位置。

二，快軸準(zhǔn)直誤差分析

在FAC的裝調(diào)過程中，如圖1-1所示，除了位置誤差Δx對(duì)快軸準(zhǔn)直沒有影響以外，其他的位置誤差Δy、Δz以及角度誤差βx、βy、βz對(duì)準(zhǔn)直光束發(fā)散角都有影響。

圖1-1 FAC裝調(diào)示意圖

1，位置誤差Δy

FAC 在平行于出光腔面，即垂直于光束傳播方向的面上有一個(gè)垂直位移Δy時(shí)，經(jīng)準(zhǔn)直柱透鏡準(zhǔn)直后的光束將發(fā)生方向偏轉(zhuǎn)，如圖1-2所示，這個(gè)偏轉(zhuǎn)角為 δ 就是指向性誤差。偏轉(zhuǎn)角 δ 與垂直位移Δy之間存在如下關(guān)系：

δ = Δy/ fFAC

其中fFAC為快軸準(zhǔn)直鏡焦距

圖1-2 位置誤差Δy給光束準(zhǔn)直帶來的影響

圖1-3表示的是單路激光光束準(zhǔn)直后發(fā)散角與Δy變化的曲線關(guān)系，可以看出雖然垂直位置誤差Δy對(duì)準(zhǔn)直發(fā)散角Θ影響不大，但是它對(duì)光束的傳播方向影響較大，產(chǎn)生指向性誤差。在0～4μm范圍內(nèi)變化時(shí)，指向誤差可以由1.1mrad線性增加到4.4mrad，斜率為1.1mrad/μm，即FAC在y方向出現(xiàn)1μm的位置誤差將會(huì)使準(zhǔn)直后光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角增加1.1mrad。

圖1-3 位置誤差Δy對(duì)準(zhǔn)直后發(fā)散角Θ和方向角δ的影響

2，ΔZ位置誤差

在FAC的裝調(diào)中，位置誤差△z將會(huì)使激光器偏離FAC的后焦點(diǎn)，產(chǎn)生一定的離焦現(xiàn)象，會(huì)增加激光器準(zhǔn)直后的發(fā)散角，這樣造成準(zhǔn)直效果變差,光束質(zhì)量下降，當(dāng)快軸準(zhǔn)直鏡FAC精確地與出光面平行放置時(shí)，隨著柱透鏡向z軸的位置發(fā)生變化時(shí)，快軸方向的準(zhǔn)直后發(fā)散角將均勻改變，如圖1-4所示。圖中給出的是不同離焦量所引起的遠(yuǎn)場分布變化及發(fā)散角變化，ΔZ在0~10μm范圍內(nèi)變化時(shí)，準(zhǔn)直后快軸發(fā)散角由1.63mrad(95%能量范圍)近線性增大到9.2mrad。

因此為了獲得高光束質(zhì)量的準(zhǔn)直光束，就必須控制好位置誤差△z，如果發(fā)散角需要準(zhǔn)直到3mrad，則位置誤差△z需要小于2μm。

圖1-4 位置誤差△z引起的發(fā)散角變化曲線

3，角度誤差βx

在FAC裝調(diào)過程中，F(xiàn)AC繞x軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)引入軸外像差，從而使激光器準(zhǔn)直后的光束出現(xiàn)指向性誤差。圖1-5給出的是不同角度誤差βx所引起的發(fā)散角變化曲線，隨著FAC的偏轉(zhuǎn)角βx的增大，光束的發(fā)散角Θ增大的不是很明顯，但是指向性誤差δ卻顯著增加，F(xiàn)AC偏轉(zhuǎn)1mrad，就會(huì)產(chǎn)生0.91mrad的指向性誤差。指向誤差達(dá)到 0.88mrad/mrad，如果發(fā)散角需要準(zhǔn)直到3mrad，則繞x軸旋轉(zhuǎn)的角度誤差需要小于1.5mrad。

圖1-5 角度誤差βx對(duì)準(zhǔn)直后發(fā)散角Θ和方向角δ的影響

4，βy,和βz角度誤差

在對(duì)半導(dǎo)體激光bar條進(jìn)行快軸準(zhǔn)直時(shí)，由于bar條的寬度相對(duì)于單管半導(dǎo)體激光器較寬，達(dá)到了 10mm，因此FAC繞y軸和z軸發(fā)生的旋轉(zhuǎn)的角度誤差βy和βz會(huì)引入離軸像差，使得bar條兩側(cè)的發(fā)光點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)離軸。但是在單管半導(dǎo)體激光器中，單管發(fā)光點(diǎn)寬度僅100μm～200μm，所以FAC的βy和βz角度誤差對(duì)單管半導(dǎo)體激光器的快軸準(zhǔn)直影響較小，圖1-6和圖1-7為角度誤差βy和βz產(chǎn)生的示意圖。圖1-8為角度誤差βz對(duì)光束準(zhǔn)直的影響。如圖所示，當(dāng)βz從0°增加到2°，準(zhǔn)直光斑發(fā)生了微小的彎曲，由于一般βz可以控制在0.5°范圍內(nèi)，所以βz的影響可以忽略不計(jì)。

圖1-6 角度誤差βy示意圖

圖1-7 角度誤差βz示意圖

三，慢軸準(zhǔn)直誤差分析

在半導(dǎo)體激光器慢軸準(zhǔn)直鏡(slow axis collimator，SAC)的裝調(diào)過程中，由于SAC本身存在6個(gè)自由度，因此會(huì)產(chǎn)生位置誤差△x、△y、△z和角度誤差βx、βy、βz，如圖2-1所示。由于SAC是柱面鏡，在SAC的y方向口徑范圍之內(nèi)，△y的位置誤差不會(huì)影響激光器的準(zhǔn)直效果,除此之外其他的位置誤差以及角度誤差對(duì)準(zhǔn)直光束發(fā)散角都會(huì)有一些影響。由于慢軸發(fā)散角相對(duì)較小，與FAC相比SAC的焦距較長，所使用的SAC面型為球面，而且調(diào)試過程中的誤差對(duì)光束質(zhì)量影響相對(duì)于FAC的裝調(diào)較小。

圖2-1 SAC裝調(diào)示意圖

1，位置誤差Δx

圖2-2 位置誤差Δx給光束準(zhǔn)直帶來的影響

SAC在平行于出光腔面，即平行于激光器慢軸方向上有一個(gè)平行位移Δx時(shí)，經(jīng)SAC準(zhǔn)直后的光束將發(fā)生方向偏轉(zhuǎn)，如圖2-2所示，這個(gè)偏轉(zhuǎn)角δ就是指向性誤差，這將導(dǎo)致激光光束傳播方向的改變，降低光束質(zhì)量。

圖2-3位置誤差Δx對(duì)準(zhǔn)直后發(fā)散角Θ和方向角δ的影響

通過圖2-3可以看出，位置誤差Δx對(duì)準(zhǔn)直發(fā)散角Θ的影響并不大，從0~4μm范圍內(nèi)變化時(shí)，發(fā)散角僅增加了0.06mrad，而對(duì)光束的傳播方向的影響卻很大，指向性誤差由0mrad線性增加到0.16mrad，斜率為0.4mrad/μm，即SAC在Δy方向出現(xiàn)1μm的位置誤差將會(huì)使準(zhǔn)直后光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角增加0.04mrad。由此可見，SAC的位置誤差Δx帶來的影響要比FAC的位置誤差Δy影響小。

2，位置誤差Δz

SAC在裝調(diào)時(shí)，由于在z軸方向的線性平移Δz，將會(huì)使激光器偏離SAC的后焦點(diǎn)，產(chǎn)生離焦現(xiàn)象，從而造成慢軸準(zhǔn)直后的發(fā)散角變大，光束質(zhì)量下降，如圖2-4所示。

圖2-4位置誤差Δz慢軸準(zhǔn)直光束發(fā)散角影響

由于實(shí)驗(yàn)中所使用的SAC后焦距較長，達(dá)到了20mm，所以在z軸方向發(fā)生離焦時(shí)并不會(huì)很大程度影響準(zhǔn)直光束的發(fā)散角，由圖2-4可知，ΔZ在10~40μm范圍內(nèi)變化時(shí)，準(zhǔn)直后慢軸發(fā)散角并沒有太大變化，因此，SAC在z軸方向的變化有一個(gè)很寬松的范圍。

3，βx角度誤差

SAC，繞x軸(慢軸方向)偏轉(zhuǎn)一個(gè)小角度βx時(shí)，此時(shí)SAC的后表面與入射光束從垂直入射變成了斜入射，SAC相當(dāng)于一個(gè)平行平板，會(huì)在垂直方向?qū)馐a(chǎn)生一個(gè)高度的誤差，但是不會(huì)影響發(fā)散角變化。如圖2-5所示。

圖2-5角度誤差βx示意圖

由圖2-5可知，隨著SAC的偏轉(zhuǎn)角βx的增大，光束的位置會(huì)隨著提高，在裝調(diào)的過程中要注意不要使平移高度超過0.2mm，否則會(huì)影響上下層光束的傳播。

4，βy和βz角度誤差

對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行慢軸準(zhǔn)直時(shí)，SAC繞y軸旋轉(zhuǎn)一定角度產(chǎn)生角度誤差βy，繞z軸旋轉(zhuǎn)一定角度產(chǎn)生的角度誤差βz。

圖2-6 角度誤差βy和βz的示意圖

同上所述，由于單管半導(dǎo)體激光器比bar條寬度小，只有100μm～200μm，所以SAC的角度誤差βy和βz對(duì)激光器的慢軸準(zhǔn)直影響較小，在六軸調(diào)整架能保證的精度范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，基本不會(huì)對(duì)準(zhǔn)直效果帶來影響，所以βy和βz角度誤差的影響可以忽略不計(jì)。

本文討論了單管半導(dǎo)體激光器快慢軸準(zhǔn)直鏡的裝調(diào)誤差對(duì)合束造成的影響，由于快慢軸準(zhǔn)直鏡的自由度較多，所以分別從位置誤差

Δx、Δy、Δz和角度誤差βx、βy、βz六個(gè)方面對(duì)快慢軸準(zhǔn)直的影響進(jìn)行分析。

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