半導(dǎo)體二極管激光器光學(xué)

1、第 !" 卷! 第 # 期&()!*+ ,)$%! 年 $ 月!"#"$%&(-./) $%!不產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)5$!26" 在我們的情況下!脈沖間的振動能級激發(fā)有效地支持自持放電"因此!在自持放電上疊加納秒電短脈沖是提高橫向自持放電 34#激光器抽運(yùn)效率有前途的方法!而無需改變它的結(jié)構(gòu)" 這可以提高激光效率!并在使用高含量氮的無氦混合氣體中用簡單電極7非分段電圖 ! 不同成份的 "#$%&$%( 混合氣體的復(fù)合放電抽運(yùn)時的效率的相對增量與納秒極8工作時沒有放電收縮" 在這種源功率 !)* 與

2、自持放電功率 ! 比值的關(guān)系情況下 ! 改善了激光器的工作特效率增大! 增量達(dá)到 001" 由圖 #生電離 ! 在非自持放電中不會發(fā)性 #增大了電流調(diào)節(jié)范圍 $ 簡化了和圖 2 可以看出!在脈沖電離情況生" 如果復(fù)合非自持放電中電脈沖放電點(diǎn)燃!并在大電流時提高了放下!使用氮含量大的混合氣體是有重復(fù)率較低 !在某時間間隔內(nèi)電子電的穩(wěn)定性和均勻性"利的" 在自持放電中!脈沖間也發(fā)密度會降低到這種程度 !以致 34$參 考 文 獻(xiàn)" !"#$%& ( )+ *&#+,"- . /+ )012$3 / .) 456!

3、"9:$+!,;*< $ *"3"70#&- 6 8+ 9$:02&- . )+ ;&<=32$3 . > "# $%&& ;-03:&-0? #"2=7&3>20+ *9:#+ -;*0!92 60+:&- . A+ B012&- . C) ;-03:&-0? #"2=7&3>20+ *9<<+ .;#!#<! C-03D"32& 8 C+ ;701"3$33$2&

4、;- . .+ )&3&:07"- 8 A) #"2=7&:"%3>20+!*9:<+ 7*8;2< 0 .0<$#?2 E F+ ;&<GHD"32& / .+ ;+I7?-J"- 6 6 "# $%&& 456!*99!+/.;#?2? K7""- . .+ >-+7"D"3<2$L / .+ )012$3 / .) ()(! *9<9+ +,0#0%!白光 編譯")*+,-.!

5、"/"&提 要 /.AB ,) CD(!"9"9 年誕生在美國康涅狄格州的紐黑文 !從加州理工學(xué)院畢業(yè)后進(jìn)入通用電器研究發(fā)展中心工 作" "9?$ 年!CD( 在半導(dǎo)體結(jié)中實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)!創(chuàng)建了第一臺半導(dǎo)體結(jié)激光器" 這種器件!根據(jù)特殊設(shè)計的 EFG 結(jié)!用電流將電子直接注入結(jié)中運(yùn)行!因此允許從緊湊的發(fā)射源以高效率產(chǎn)生相干光" 當(dāng)今!以 CD( 原始思想工作的二極管激光 器!廣泛地應(yīng)用于如 3H$H&H 顯示器$激光打印機(jī)和光纖通訊系統(tǒng)等領(lǐng)域"關(guān)鍵詞 半導(dǎo)體二極管激光器 EFG 結(jié) 應(yīng)用

6、+ 引言本 文將描述二極管激光器發(fā) 射光束的基本特性 !討論分析和調(diào) 整這種光束的方法" 用一對柱面透鏡 將光束準(zhǔn)直和成形是一種簡單 靈活的方法!不僅可以用于二極管 激光器!而且也可用于光纖發(fā)射的 光束"$ 二極管激光器特性半 導(dǎo)體二極管激光器結(jié)構(gòu)如圖 " 所示!它由增益層7僅幾十個納 向側(cè)面變?nèi)?" 在增益導(dǎo)向激光器米厚8和包圍它的導(dǎo)向?qū)咏M成!導(dǎo)向 中!這種增益漸變對側(cè)向光束限定層起限定激光模式作用" 導(dǎo)向?qū)诱?是很重要的" 為比較起見!在折射射率略大于周圍區(qū)域7基質(zhì)和蓋板8 率導(dǎo)向激光器中!將導(dǎo)波帶相鄰區(qū)折射率!通過內(nèi)全反射限定激

7、光模 域選擇性地刻蝕掉!然后以低折射式" 通過幾個微米寬的金屬條狀正 率覆蓋材料代替" 一般地說!增益電極注入電流!由結(jié)對面的基板7接 層有高吸收的區(qū)域!不直接在電極地電極8收集 " 在正電極底下的粒 底下 !因此經(jīng)受的抽運(yùn)弱 ! 或完全子數(shù)反轉(zhuǎn)和增益最強(qiáng)!沿 * 軸隨著 無抽運(yùn)" 除了雜質(zhì)和界面上的散射距電極中心線距離增加!增益逐漸 損失外! 導(dǎo)向?qū)踊臼峭该鞯?基收稿日期0 $%2F"%F!"+1第 !" 卷! 第 # 期&()!*+ ,)$%! 年 $ 月!"#"$%&(-./) $

8、%!束性質(zhì)是它的偏振態(tài)!典型的是線偏振!其電場平行于結(jié)平面* 這個性質(zhì)反映這樣的事實!對于平行于結(jié)的偏振光7即 #!8!其增益多少要比垂直偏振光7下文的 #"8高 * 與#"相關(guān)的導(dǎo)向模在 $ 方向要比與#!相關(guān)的模略為加寬* 因為加寬模比緊湊模與增益介質(zhì)層交疊得少!所以當(dāng)緊湊模超過閾值并開始產(chǎn)圖 " 為限定激光模 !用導(dǎo)向?qū)影鼑せ顚咏M成半導(dǎo)體二極管激光器 " 通過正電極注入生激光時!加寬模還未達(dá)到* 而且!電流!由在結(jié)對面的接地電極收集電流限制電子和空穴在薄激活層 7量子質(zhì)和覆蓋層也是高透明的"步在水平方向加寬 7比無像散時8!阱8!對 #

9、!7相對于 #"8更易使激發(fā)圖 $ 表示在單橫模二極管激相位分布顯示峰?谷變化*2%!"電子和空穴釋放出光子并返回基光器 0! %123%456 前方的強(qiáng)度和相在激光器向前方發(fā)射的光束!態(tài)*實際上 # 偏振超過 #!是兩種!"位分布圖 " 在結(jié)平面光束發(fā)散角呈橢圓截面是合理的 7由于衍射8!效應(yīng)組合的結(jié)果*7半高全寬8是 "!19! ! 與結(jié)垂直方對于 "遠(yuǎn)小于 " 的情況" 在激光!"! 二極管激光像散的起源向是 ""1:;!" 在圖 $ 上方一行的圖激活區(qū)內(nèi)產(chǎn)生像散是由于

10、非均勻0<#$%/8中!顯示光束沒有像散 !在增益剖面7沿 " 軸8的原故" 由于靠沿 " 軸增益剖面的非均勻性!激光器前方的相位分布均勻" 在中近腔的光軸增益最高!光輻射在腔對波導(dǎo)模具有聚焦作用!迫使沿腔間一行的圖0=&$%>8!像散距離7定中沿 ! 軸傳輸時!光束向光腔軸產(chǎn)! 軸傳輸?shù)墓馐詣有纬砂l(fā)散的相義在自由空間中水平束腰和垂直生(增益聚焦)效應(yīng)!結(jié)果是沿腔軸位波前* 用光束傳輸方向7DEF6B#C束腰之間的等價距離 8 是 #! 1比兩側(cè)有更強(qiáng)的放大B*C* 因而!對應(yīng)研究通過增益介質(zhì)的光束傳輸很*%!5!沿 "

11、軸輕微展寬光束 !相位光束向中心塌陷的趨勢!發(fā)散相位容易證明這一點(diǎn)* 圖 :7<6表示典型波前發(fā)散!其峰?谷變化7即束的邊剖面自動形成* 關(guān)于這個性質(zhì)!下二極管激光橫截面的增益和損耗緣到中心8是*$%! 在底行圖7.&$面會詳述*分布* 在增益層中間部分的增益最%A8!像散距離 #!1$;!5" 光束進(jìn)一另一個感興趣的二極管激光高 !沿 " 軸以高斯型下降 ! 在遠(yuǎn)離中心軸 ! 的區(qū)域變?yōu)閾p耗區(qū)* 在沿腔 ! 軸傳輸期間!光束截面的相位剖面類似于圖 :7/6所示* 其中高折射率導(dǎo)向?qū)邮瓜辔幌鄬τ诘驼凵渎驶|(zhì)和蓋板超前* 具有較高折射率的增益介質(zhì)7紅色6使相位更

12、超前于導(dǎo)向?qū)?橙色6!但增益層薄!對于限制模沿 $ 軸的貢獻(xiàn)顯然很小*同時!圖 :7<&+%/6表示的截面強(qiáng)度分布和相位分布確定了以光束傳輸方法模擬二極管激光使用的振幅?相位掩模剖面" 這種特殊掩模以圖 # $%&$() 二極管激光器! !%*!+ "%!,!在前方的強(qiáng)度-左.和相位-右.的對數(shù)平#!1%)*! 的間隔放置在折射率 %1:): 的介質(zhì)中" 波長 ! 在這個環(huán)境中面圖" 在極大和極小之間強(qiáng)度變化范圍是 ! 1!%"$3" 在圖-/&$%4.中!光束沒有是 ! %G%! 其中 ! % 是激光束

13、的自由空)/0)2(像散 " 在圖-5&$%6.中 !在水平的和垂直的束腰之間像散距離-在自由空間. "%7$ )! 沿 0 軸有較寬的光束 ! 和發(fā)散的相位花樣 ! 從中心到邊緣位相變化是間波長" 對于入射到掩模上的均勻7#$!" 在圖-8&$%9.圖中!像散距離"%#, )!光束進(jìn)一步加寬!并且相位分布表光束! 其透射強(qiáng)度和相位分布分別明峰:谷變化;7&$!如圖 :7<&$%/6所示" 假設(shè)增益介質(zhì)7<第 !" 卷! 第 # 期&()!*+ ,)$%! 年 $ 月!&q

14、uot;#"$%&(-./) $%!圖 ! 以光束傳輸方法 "#$%& 模擬二極管激光束所用的兩個振幅相位掩模的剖面 " "(&$%)&表示掩模 * 的振幅和相位剖面 *"(&+%+&相應(yīng)于掩模 , 的振幅和相位剖 面" 增益介質(zhì)是在兩個 -./ 厚波導(dǎo)層之間的 -.,/ 厚的夾層式膜層" "(&均勻入 射光束的透射強(qiáng)度分布 " 在中心的振幅增益是 *.-,/!沿 ! 軸逐漸變到 -.0/"損耗& 值" 在激活層外!-.0

15、0/ 振幅透過率表示有弱背景損耗" ")& 掩模 * 的相位1.*,!"在激活層內(nèi)&!在波導(dǎo)層中是 /.2!3在基質(zhì)和蓋板中是 -!" "+&掩模 ,4振幅 剖面與"(&相同5的相位 !在激活層中心是 2./!在遠(yuǎn)離軸的激活層內(nèi)是 1.*,!*在導(dǎo)向?qū)又惺?/.2!在基質(zhì)和蓋板中是 -!像散" 然后給出用圖 67>&$%;5所示 的振幅?相位掩模 $ 得到的模擬結(jié) 果!揭示折射率反向?qū)?的增益 介質(zhì)7由粒子數(shù)反轉(zhuǎn)引起5可能進(jìn)一 步增加感應(yīng)像散)圖 ! 上方一行的圖表示用掩模 &

16、quot; 在光束傳輸方法 8% 步后的7>5強(qiáng)度!7/5強(qiáng)度的對數(shù)和7;5相位圖形" 每步對應(yīng)在折射率 #%96)6 的介質(zhì)內(nèi)傳輸 %)"! 的距離!在本模擬中總傳輸距離是"A!B" 看到的限制在導(dǎo)向?qū)又械墓?僅以微小的分?jǐn)?shù)值泄漏7即逐漸消失5到基底和蓋板中" 逸出導(dǎo)向?qū)拥墓庾罱K以散射或衍射損失到系統(tǒng)外 " 在圖 !7;5是在構(gòu)成導(dǎo)向板的兩個 %)0! 1厚低 折射率層之間 %)#0! 厚的夾層式膜 層 " 在激活層中心的振幅增益是*)#02每傳輸 %)*! "" 以高斯型沿 ! 軸逐漸變小!同時

17、在 " 方向保持均勻"激活層外的介質(zhì)背景損耗很小 2掩模振幅透射率 %)3304! 但是在增益層內(nèi)和遠(yuǎn)離中心軸區(qū)域! 光振幅以%)30 因子衰減2每傳輸 %)*! 5" 在圖 67/5 中! 掩模的相位在激活層內(nèi)是8)*$!+在兩相鄰導(dǎo)向?qū)邮?0)!而在基底和蓋板區(qū)是 %!" 這意味著!例如! 如果基底和蓋板材料的折射率是 #%96)6! 則導(dǎo)向?qū)拥恼凵渎?#*9 6)!0!激活層介質(zhì)的折射率 #$96)!:"實際上! 抽運(yùn)增益介質(zhì)使其局部折射率下降! 所以比較實際的相位掩模應(yīng)類似于圖 62;5所示的!其在激活區(qū)中心的相位下降到 !)0!2相應(yīng)

18、于 #96)!#05" 相位從這個極小值 起沿 ! 軸以高斯型增加! 在激活層的高吸收區(qū)達(dá)到 8)*#!" 這導(dǎo)致沿 !軸反向?qū)?2由于在激活層內(nèi)折射率不均勻5" 在激活層內(nèi)的高斯相位剖面迫使激光束沿 ! 軸發(fā)散! 超過 僅由增益剖面產(chǎn)生的發(fā)散<6!=" 其余 的掩模與圖 62/5中的情況一樣" 下面首先給出用圖 62>#$ %/5 所示的 振幅?相位掩模 " 用傳輸方法的模 擬結(jié)果!確認(rèn)僅由增益剖面引起的中 ! 沿 ! 軸的峰 ? 谷相位變化為*8%!相應(yīng)于幾個微米的像散發(fā)散光束" 圖 ! 下方一行的圖與上方

19、一行的類似!不同的是用掩模 $ 得到 的" 與增益介質(zhì)無折射率反向?qū)?情況下比! 光束沿 ! 軸略有加寬" 圖 ! 7C5 中峰?谷相位變化是 *:0! 7沿 ! 軸5+對應(yīng)著比圖 !7;5情況有 更大像散的發(fā)散束"圖 !7D5 表示在上述模擬中得到 的光束功率與傳輸距離 $ 的關(guān)系 " 開始光功率下降!因為初始光 束對波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行自身調(diào)整!擋掉 了與波導(dǎo)模剖面不匹配的光" 然后 增益介質(zhì)起作用 ! 光功率指數(shù)上圖 2 在 1- 步光束傳輸方法后的"(&強(qiáng)度!")&強(qiáng)度的對數(shù)!"+&相位圖

20、形" 在這些模擬中所用振幅相位掩模 * 如圖 !"(&$%)&所示" 看到的限制在導(dǎo)向?qū)又械墓?以弱的逐漸消失的尾部泄漏到基質(zhì)和蓋板中" 在"+&中!沿 6 軸峰谷相位變化為 *1-!" 下面一行 4"7&8%9&5與上面一行4"(&8%+&5類似!不同的是用掩模 , 得到的!掩模 , 如圖 !"(&$%+&所描述" 在圖"9&中!峰谷相位沿 ! 軸變 化是 *:/!" 圖"&表

21、示在光束傳輸方法模擬中!光束功率與傳輸距離的關(guān)系*:第 !" 卷! 第 # 期&()!*+ ,)$%! 年 $ 月!"#"$%&(-./) $%!圖 " 用無像差透鏡捕獲和準(zhǔn)直從二極管激光器發(fā)出的單橫模光束 !然后用剪切干涉儀 分析" 光束截面中任何相位改變都在剪切干涉圖上以條紋形式表現(xiàn)升 !因為限定模沿光軸傳輸"! 剪切干涉儀用無像差透鏡捕獲和準(zhǔn)直單 橫模二極管激光束 !然后用剪切干 涉儀分析!如圖 0 所示 " 剪切板產(chǎn) 生兩個全同的準(zhǔn)直光束的復(fù)制束!沿 ! 軸或 " 軸彼此有相移"

22、同一光 束的兩個復(fù)制束在觀察平面上疊 加產(chǎn)生干涉圖 !顯示準(zhǔn)直光束的相 位結(jié)構(gòu)" 在準(zhǔn)直鏡出射光瞳上的任 何相位不均勻性都在干涉圖上以 強(qiáng)度變化1即條紋2表現(xiàn)"對 ! %345%67 二極管激光器發(fā) 射的 8!"90!光束!圖 :;左面<給出在位于 %):#$ 準(zhǔn)直透鏡出射光瞳后面*%77 平面上的強(qiáng)度 1上圖< 和相 位" 該透鏡位于距激光束兩光腰之 間的中點(diǎn) %3!)477 處!顯示的相位 花樣分別對應(yīng)于像散 "&3*%!7!$%!7!9%!7" 對固定剪切量 "!3圖 # 左圖 $位于圖 "

23、; 的準(zhǔn)直鏡出射光瞳%)8771水平方向<和 ""3$)%771垂外 $%&& 平面處的強(qiáng)度上圖 (和直方向<!圖 : 右方給出在剪切板觀相位 " %)#!" 的透鏡位于激光束 %*+,%-&. !*/!. "*0"!1兩光腰察窗觀測到的強(qiáng)度花樣#從上到下!之間中點(diǎn)有一個焦距#*!)+&&1"激光器的像散分別為 "&3%!*%!7!右圖 $ 在剪切板 $*%)/&&. %*$%!7 和 9%!7"2)%&&1觀察窗

24、上的強(qiáng)度花樣 " 從" 用柱面透鏡準(zhǔn)直光束上到下 ! 激 光 器 的像 散 分 別為% &!$% &!2% & 和 0% &圖 / 用一對柱面透鏡準(zhǔn)直二極管激光束"第 一個透鏡將光束沿快軸準(zhǔn)直 !而 第二個透鏡將光束沿慢軸展開*)04=*>%)%!00;?%<$的梯度折射率 材料制成 " 透鏡的凈孔徑 "! 30)%77!""3")$77" 激光器前表面與該透鏡第一表面之間的距離是%)9!577" 用折射率 (3"):0 均勻玻璃制成的平面&

25、gt;柱面第二個透鏡與第一透鏡相距 %)94877" 其厚度;沿光軸方向<是 9)$77!長 077!曲率 半徑 977!凈孔徑 ")077" 透鏡表面皆涂消反射膜"圖 5 表示在圖 8 平面>柱面透 鏡后 %)977 處的觀察平面上計算 的強(qiáng)度和相位圖形" 透鏡對捕獲的 光功率約 5%A!在觀察平面上的均 方根波前像差為B%)"4! " 同樣的透 鏡對 1輕微調(diào)整兩鏡間的距離<!在目前激光束像散情況!可用于準(zhǔn)直 而不引起波前質(zhì)量任何退化"在光束準(zhǔn)直前通過沿光束的 慢軸傳播!則柱透鏡對能夠調(diào)節(jié)束

26、截面的橢圓度" 當(dāng)然!第二透鏡需 要的物理參量與希望的準(zhǔn)直束的 短軸和長軸比有關(guān) !但是 ! 原則上 任何橢圓度都能達(dá)到" 這樣!柱面 透鏡對不僅能將二極管激光器的 發(fā)散光束準(zhǔn)直!而且還能使光束截 面整形1特別是成圓形<"用柱面透鏡準(zhǔn)直二極管激光束!如圖 8 所示" 其中第一個透鏡負(fù)責(zé)沿快發(fā)散軸準(zhǔn)直光束! 第二個透鏡負(fù)責(zé)沿慢軸擴(kuò)束" 當(dāng)發(fā)散角度大時! 具有梯度折射率的柱面透鏡提供更好的準(zhǔn)直能力! 以及對剩余像差的更好修正"# 漸變放大和光束壓縮考慮一具體的例子" 波長 ! %3圖 4 表示經(jīng)漸變棱鏡沿 ! 軸擴(kuò)45%6

27、7!#!38!#"390!+像散 "&3% 的展光束后! 用無像差透鏡使二極管單橫模光束" 第一個透鏡是半徑 %3激光束準(zhǔn)直" 這種準(zhǔn)直的漸變放大*)077!長 077 柱形棒!它由 (1<3光束接著用無像差透鏡聚焦! 其效$,第 !" 卷! 第 # 期&()!*+ ,)$%! 年 $ 月!"#"$%&(-./) $%!果與最初對準(zhǔn)直光束進(jìn)行聚焦一樣" 由于激光束發(fā)散角在平行和垂直于結(jié)面有很大不同 0即 !"!#1!沿 ! 軸的準(zhǔn)直光束直徑一般比沿 "軸的小很多&q

28、uot; 沿 ! 軸擴(kuò)展光束!直至充滿聚焦透鏡的入射光瞳! 則能得到本質(zhì)上比在激光器前表面出現(xiàn)的亮斑還小的光斑"圖 *% 表示在圖 2 系統(tǒng)幾個截圖 !從圖 " 所示的透鏡對射出的激光束# $%&!()* !%"!* #%+,!像散 !%-的強(qiáng)面上的強(qiáng)度和相位計算圖" 激光參度#.-和相位/01圖形" 對本模擬中選擇的特殊透鏡!光功率透射率2!3!均方根量取 " % 324%56!37! !#389! ! 像波前像差 45& !孔徑截面上的峰6谷相位差為27!散 #3%" 準(zhǔn)直鏡和聚焦透鏡數(shù)值孔徑 $%3%):! &3!)266!棱鏡對的放大因子 39)9;沿 ! 軸<足夠使光束截面圓形化" 圖 *% 的頂行表示在激光器前面的光束!第二行表示進(jìn)入棱鏡之前光束的橢圓截面!其縱橫比=9)9" 從棱鏡對出射的光束呈圓形0見第三行<"最后一行表示聚焦平面上的聚焦斑點(diǎn)#