激光二极管准直器 Laser diode collimators

2022-11-11 11:39:43 浏览:920

定义

用于准直半导体激光管输出的装置。

激光二极管通常发出强烈的发散光,主要是因为会议区域通常很小。 对于许多应用,有必要首先使用某种光束准直器将辐射转换为准直光束。 由于不同类型的半导体激光管的发射特性可能大不相同,因此已经开发了不同类型的半导体激光管准直器,并在下一节中描述。

对于大多数激光二极管,光束发散是如此之大,以至于使用非球面透镜进行光束准直是有利的,以避免准直光束的显着球差。 (为了获得良好的性能,透镜的数值孔径应明显大于激光二极管的数值孔径- 例如,两倍。 另一方面,发射带宽通常很小,因此在大多数情况下不需要消色差光学器件。

单发射器激光二极管的准直器

大多数可用的半导体激光管准直器设计用于低功率单发射器边缘发射半导体激光管。 例如,激光指示器中需要此类设备。

图1:简单的激光二极管准直器。

我们首先只考虑发射的一个方向(水平或垂直)。 激光二极管输出面和准直透镜之间的距离需要与透镜的焦距相同,否则透镜后的光束会收敛或发散。 然后,在原理上很简单,计算透镜后其中一个方向的光束直径:它是全发散角乘以焦距。 然而,激光二极管的输出光束发散通常以半峰全宽 (FWHM) 来指定,而对于准直激光束,通常指定 1/e2 光束半径或直径。 通常,后者大≈1.7倍,但这在一定程度上取决于强度分布的形状。

不对称光束是激光二极管的典型特征。

单发射器半导体激光管通常在两个正交方向上表现出截然不同的发散度。 在典型情况下,一个人在“慢速”方向上有大约 10° 的发散(半最大值的全宽),在“快速”方向上有大约 ≈30°。 另一方面,至少对于所谓的折射率引导激光二极管,焦点位置通常非常靠近(非常小的散光),因此放置在与半导体激光管输出适当距离处的普通透镜(不是圆柱透镜)可以同时准直两个方向的光。 只是,两个方向的光束半径将大不相同;例如,在“快速”方向上,它可能大约大三倍。

在许多情况下,需要将光束轮廓转换为圆形轮廓;这通常是通过应用变形棱镜对来实现的,该棱镜可以单独使用或集成到激光二极管准直器设备中。 或者,可以使用两个柱面透镜,每个透镜具有适合于在其方向上获得所需光束半径的焦距。 另一种技术选择是高精度安装在激光二极管刻面附近的圆柱形微透镜,用于将光束转换为圆形光束。

散光使产生圆形光束变得更加困难。

对于增益引导的半导体激光管(通常是具有较高输出功率的半导体激光管),还存在散光的另一个问题:两个方向的焦点位置并不完全重合。 虽然与半导体激光管芯片的长度相比,它们的距离很小,但与瑞利长度相比,它就很大了。 这样做的结果是,在两个方向上完美准直需要略有不同的透镜位置(到激光二极管输出面的距离)。 虽然变形棱镜对仍可用于产生近似圆形光束,但散光无法以这种方式校正。 一副可以独立调节的柱面透镜可以是一个很好的解决方案。

严格来说,使用的柱面透镜通常具有酰面表面,即与圆柱形的一些偏差,例如最小化像差(参见关于非球面光学的文章)。

对于通常中等的输出功率,塑料光学器件通常就足够了,特别是在不需要高光学性能的情况下。 但是,也经常使用更高质量的玻璃镜片。 对于特别短的焦距,通常使用球透镜或半球透镜。

对于某些应用,仅使用柱面透镜,该透镜仅在一个方向上准直输出光束。 此类设备有时称为线路发生器。

用于广面积发射器、二极管条形和二极管组的准直器

广域激光二极管的发射区域在沿晶圆表面的方向(通常称为水平方向)上比另一个方向大得多;选择这种激光设计是为了获得更高的输出功率。 该“慢速”方向的光束发散明显小于快速方向的光束发散,但远没有衍射限制光束那么小:该方向的发射是高度多模的。 因此,该方向的光束质量要差得多。 这样做的结果是,虽然简单准直透镜后的光束直径在“慢速”方向上明显较小,但该方向上的残余光束发散要大得多。

高功率激光二极管通常配备准直器,仅用于快速方向。慢轴准直可以通过额外的镜头来完成。

一些广面积发射器出售时带有固定在输出面上的快速轴准直透镜(FAC透镜)。 这是一种具有相对高数值孔径的透镜,仅在该“快速”方向上准直输出,因此不再需要在二极管附近安装额外的光学部件。 同样的技术可以应用于二极管条,例如在阵列中包含多个宽发射器的封装。 单个柱面(或实际上是略微酰基)快速轴准直透镜(有时称为光纤透镜)可能足以满足所有发射器的需求。 当这样的发射器阵列表现出太大的“微笑”时,可能会出现问题。

对于二极管堆栈,通常使用圆柱形微透镜阵列,每个透镜都用于一个包含的条形。 在更大的距离上,可以有一个圆柱透镜,用于在慢速方向上准直光束(SAC =慢轴准直透镜)。

用于VCSEL和VCSEL阵列的准直器

垂直腔面发射激光器(VCSEL)的输出相对容易准直,因为输出光束通常是圆形的,并且表现出相当适度的光束发散。 具有中等数值孔径的简单球面透镜通常足以达到此目的。 如果所需的光束半径相对较小,则可以使用微透镜。

为了准直VCSEL阵列的输出,其中包含许多2D图案的VCSEL,可以使用微透镜阵列。

机械方面

激光二极管光束准直器不仅由光学元件组成,还包含用于固定准直透镜和任何其他光学器件以及激光二极管位置的机械部件。 通常,它们的制造使得具有特定外壳的半导体激光管(例如,用于低功率发射器的TO罐)可以方便地固定在准直器上,例如使用螺纹挡圈。 随后,准直器通常需要连接到其他部件,例如运动安装座。

一些半导体激光管准直器是可调的,例如,通过旋转盖子(可能配备刻度),可以通过激光二极管刻面和准直透镜之间的距离微调焦点。

高机械稳定性可能很重要,例如,因为温度变化可能导致光束指向的显著波动。

激光物理

作          者: 泮桥成像光电商城

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