基于光栅外腔半导体激光阵列光谱合束技术研究

论文摘要

由于高功率半导体激光器具有能量转换效率高、稳定性好、工作寿命长、体积小等优异的特性,已经被广泛地用于固态激光器泵浦源、金属表面改性、焊接加工等领域。本文针对半导体激光器外腔光谱合束系统,提出了基于光栅-外腔的半导体激光阵列光谱合束系统的设计方案,仿真模拟了不同光束整形系统在光谱合束中的效果,并对其中的单透射光栅以及平行透射光栅-反射镜对结构的光谱合束系统部分进行了实验验证与分析。主要研究内容如下:（1）分析了半导体激光器的工作原理、主要参数、光束特性以及光束质量的评价方法等,为后续的仿真分析提供依据。（2）设计了基于快轴准直镜（FAC）,慢轴准直镜（SAC）以及光束旋转器（BTS）的半导体激光阵列的光束整形系统并进行分析。通过ZEMAX软件仿真,得到不同结构下的光束准直效果对比。所设计的快轴准直镜的镜面面型为偶次非球面,材料为S-TIH53,优化后顶点曲率半径为0.624mm,圆锥系数为-0.301,厚度为1.2mm,前焦距0.1mm,前四项偶次非球面的高阶系数分别为2A（28）1.022′10-3,4A（28）9.919′10-3,6A（28）0.082,A8（28）0.64。优化的点列图显示其光束的RMS残余发散角为0.285mrad,理论准直效果较好。所设计的慢轴准直镜的镜面面型为球面,材料为S-TIH53,厚度为1.2mm,与快轴准直镜之间的距离为0.1mm。考虑到半导体激光器的本征像散之后设计优化所得的曲率半径为1.766mm,优化的点列图显示其光束的RMS残余发散角为0.794mrad,理论准直效果同样较为理想。所设计的光束旋转器通过仿真设计,结果表明通过使用BTS结构可以大大增加慢轴准直镜设计参数的自由度,实现半导体激光阵列慢轴方向光束质量的提高。（3）针对传统慢轴准直镜对于高填充因子的半导体激光阵列准直效果不好的问题,提出了基于双焦距透镜的准直器件,通过在一个面的相互正交的两个方向上分别设计不同的面型参数实现用一个器件同时对半导体激光器快慢轴两个方向同时准直的效果。应用费马原理推导了该透镜的面型参数,得到两个面均为双曲面,快轴方向的顶点曲率半径为0.07495,圆锥系数为-3.061,慢轴方向的顶点曲率半径0.843,圆锥系数为-3.061。最终得到的经过双焦距准直透镜准直之后的残余发散角分别为34.4mrad（FWHM）和19mrad（FWHM）。仿真结果表明这种设计可以实现与之前分离式两轴准直镜几乎相同的准直效果,解决了传统FAC与SAC结构对高填充因子激光阵列参数受空间限制的问题,同时减小了装调误差。（4）对传统的单光栅光谱合束结构进行改进,提出并设计了一种基于平行光栅-反射镜对结构的光谱合束系统。通过后置一个与透射光栅平行的全反镜让合束光束两次透过光栅进行衍射,实现了合束单元间光谱间隔的压缩。搭建了半导体激光器外腔光谱合束实验平台,将单光栅合束结构与平行光栅-反射镜对合束结构二者的输出光谱进行对比。在相同系统参数的情况下,一个3管阵列与一个5管阵列在单光栅光谱合束结构下的光谱间隔分别为4.36nm与4.69nm,而同样的阵列在平行光栅反射镜对的结构下测量的光谱间隔分别为2.15nm与2.35nm,验证了平行光栅-反射镜对的结构相较于传统结构能够实现光谱间隔压缩一半,可以在相同输出谱线宽度的范围内成倍增加发射单元的数量,大大提高输出功率密度。论文的研究工作对于促进光栅外腔高光束质量半导体激光器的技术发展和应用具有一定的理论意义和实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 高功率半导体激光器的发展动态
•   1.2 半导体激光器光谱合束的研究现状
•   1.3 论文的主要研究内容
• 2 半导体激光器光束特性分析与外腔光谱合束原理
•   2.1 半导体激光器的主要参数
•   2.2 半导体激光器的光束质量表征及评价方法
•   2.3 半导体激光器外腔光谱合束系统及原理
•   2.4 本章小结
• 3 外腔光谱合束中光束整形模块的设计与分析
•   3.1 快、慢轴准直镜设计
•   3.2 光束旋转器设计
•   3.3 双焦距准直镜设计
•   3.4 本章小结
• 4 外腔光谱合束中合束模块的设计与分析
•   4.1 基于单光栅的SBC系统
•   4.2 基于平行双光栅结构的SBC系统
•   4.3 基于平行光栅-反射镜对结构的SBC系统
•   4.4 单光栅和平行光栅-发射镜对结构光谱合束实验分析
•   4.5 本章小结
• 5 全文总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士学位期间发表的论文目录
• 附录2 攻读硕士学位期间申请的发明专利

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 覃贝伦

导师: 彭浩

关键词: 半导体激光器,光束整形,光谱合束

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 华中科技大学

分类号: TN24

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.001041

总页数: 82

文件大小: 3225K

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