由于半導(dǎo)體激光器有輸出的光束質(zhì)量較差排吴、發(fā)散角較大等缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中懦鼠，大發(fā)散角會影響激光器的輸出以及其光纖的耦合效率钻哩，因此大多數(shù)情況下半導(dǎo)體激光器并不能直接使用。為了加強(qiáng)半導(dǎo)體激光器合束效果肛冶，提高光纖耦合的效率街氢，必須對其快慢軸分別進(jìn)行準(zhǔn)直，減小其快慢軸的發(fā)散角睦袖，以滿足光纖耦合的需求珊肃。半導(dǎo)體激光器快慢軸準(zhǔn)直方法主要包括柱狀透鏡準(zhǔn)直、自聚焦透鏡準(zhǔn)直以及非球面柱透鏡準(zhǔn)直馅笙，本文主要介紹快慢軸準(zhǔn)直鏡安裝過程中產(chǎn)生誤差的因素伦乔。
半導(dǎo)體激光器快慢軸準(zhǔn)直誤差影響因素
一烈和，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快軸準(zhǔn)直鏡(fast axis collimator皿淋，F(xiàn)AC)和慢軸準(zhǔn)直鏡(slow axis collimator斥杜，SAC)進(jìn)行夾持虱颗，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蔗喂、y忘渔、z、βx缰儿、βy畦粮、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)來控制乖阵。由于FAC的后工作距離半導(dǎo)體激光器腔面很小宣赔，所以對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)顯示光斑形狀瞪浸、光斑尺寸儒将、發(fā)散角等以便于調(diào)節(jié)快慢軸準(zhǔn)直鏡的位置。
二对蒲，快軸準(zhǔn)直誤差分析
在FAC的裝調(diào)過程中钩蚊，如圖1-1所示，除了位置誤差Δx對快軸準(zhǔn)直沒有影響以外蹈矮，其他的位置誤差Δy砰逻、Δz以及角度誤差βx、βy泛鸟、βz對準(zhǔn)直光束發(fā)散角都有影響蝠咆。
圖1-1 FAC裝調(diào)示意圖
1，位置誤差Δy
FAC 在平行于出光腔面北滥，即垂直于光束傳播方向的面上有一個(gè)垂直位移Δy時(shí)刚操，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所示再芋，這個(gè)偏轉(zhuǎn)角為 δ 就是指向性誤差菊霜。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對準(zhǔn)直發(fā)散角Θ影響不大祝闻，但是它對光束的傳播方向影響較大占卧，產(chǎn)生指向性誤差遗菠。在0～4μm范圍內(nèi)變化時(shí)联喘，指向誤差可以由1.1mrad線性增加到4.4mrad，斜率為1.1mrad/μm辙纬，即FAC在y方向出現(xiàn)1μm的位置誤差將會使準(zhǔn)直后光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角增加1.1mrad豁遭。
圖1-3 位置誤差Δy對準(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)中贺拣，位置誤差△z將會使激光器偏離FAC的后焦點(diǎn)蓖谢，產(chǎn)生一定的離焦現(xiàn)象捂蕴，會增加激光器準(zhǔn)直后的發(fā)散角，這樣造成準(zhǔn)直效果變差,光束質(zhì)量下降闪幽，當(dāng)快軸準(zhǔn)直鏡FAC精確地與出光面平行放置時(shí)啥辨，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)散角將均勻改變盯腌，如圖1-4所示溉知。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)腕够，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级乍。
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帚湘，如果發(fā)散角需要準(zhǔn)直到3mrad玫荣，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大诸，角度誤差βx
在FAC裝調(diào)過程中捅厂，F(xiàn)AC繞x軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，會引入軸外像差底挫，從而使激光器準(zhǔn)直后的光束出現(xiàn)指向性誤差恒傻。圖1-5給出的是不同角度誤差βx所引起的發(fā)散角變化曲線导帝，隨著FAC的偏轉(zhuǎn)角βx的增大既穆，光束的發(fā)散角Θ增大的不是很明顯岩灭，但是指向性誤差δ卻顯著增加枢纠，F(xiàn)AC偏轉(zhuǎn)1mrad客燕，就會產(chǎn)生0.91mrad的指向性誤差凤巨。指向誤差達(dá)到 0.88mrad/mrad内边，如果發(fā)散角需要準(zhǔn)直到3mrad票灰，則繞x軸旋轉(zhuǎn)的角度誤差需要小于1.5mrad注簿。
圖1-5 角度誤差βx對準(zhǔn)直后發(fā)散角Θ和方向角δ的影響
4契吉，βy,和βz角度誤差
在對半導(dǎo)體激光bar條進(jìn)行快軸準(zhǔn)直時(shí)，由于bar條的寬度相對于單管半導(dǎo)體激光器較寬诡渴，達(dá)到了 10mm捐晶，因此FAC繞y軸和z軸發(fā)生的旋轉(zhuǎn)的角度誤差βy和βz會引入離軸像差，使得bar條兩側(cè)的發(fā)光點(diǎn)會出現(xiàn)離軸妄辩。但是在單管半導(dǎo)體激光器中惑灵，單管發(fā)光點(diǎn)寬度僅100μm～200μm，所以FAC的βy和βz角度誤差對單管半導(dǎo)體激光器的快軸準(zhǔn)直影響較小眼耀，圖1-6和圖1-7為角度誤差βy和βz產(chǎn)生的示意圖英支。圖1-8為角度誤差βz對光束準(zhǔn)直的影響。如圖所示哮伟，當(dāng)βz從0°增加到2°干花，準(zhǔn)直光斑發(fā)生了微小的彎曲妄帘，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)池凄。
圖1-6 角度誤差βy示意圖
圖1-7 角度誤差βz示意圖
圖1-8 角度誤差βz對光束準(zhǔn)直的影響
三抡驼，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)過程中肿仑，由于SAC本身存在6個(gè)自由度婶恼，因此會產(chǎn)生位置誤差△x、△y柏副、△z和角度誤差βx勾邦、βy、βz割择，如圖2-1所示眷篇。由于SAC是柱面鏡，在SAC的y方向口徑范圍之內(nèi)荔泳，△y的位置誤差不會影響激光器的準(zhǔn)直效果,除此之外其他的位置誤差以及角度誤差對準(zhǔn)直光束發(fā)散角都會有一些影響蕉饼。由于慢軸發(fā)散角相對較小，與FAC相比SAC的焦距較長玛歌，所使用的SAC面型為球面昧港，而且調(diào)試過程中的誤差對光束質(zhì)量影響相對于FAC的裝調(diào)較小。
圖2-1 SAC裝調(diào)示意圖
1支子，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在平行于出光腔面创肥，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)值朋，如圖2-2所示叹侄，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昨登，降低光束質(zhì)量趾代。
圖2-3位置誤差Δx對準(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對準(zhǔn)直發(fā)散角Θ的影響并不大丰辣，從0~4μm范圍內(nèi)變化時(shí)撒强，發(fā)散角僅增加了0.06mrad，而對光束的傳播方向的影響卻很大笙什，指向性誤差由0mrad線性增加到0.16mrad飘哨，斜率為0.4mrad/μm，即SAC在Δy方向出現(xiàn)1μm的位置誤差將會使準(zhǔn)直后光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角增加0.04mrad得湘。由此可見杖玲，SAC的位置誤差Δx帶來的影響要比FAC的位置誤差Δy影響小顿仇。
2淘正，位置誤差Δz
SAC在裝調(diào)時(shí)摆马，由于在z軸方向的線性平移Δz，將會使激光器偏離SAC的后焦點(diǎn)鸿吆，產(chǎn)生離焦現(xiàn)象囤采，從而造成慢軸準(zhǔn)直后的發(fā)散角變大，光束質(zhì)量下降惩淳，如圖2-4所示蕉毯。
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思犁，所以在z軸方向發(fā)生離焦時(shí)并不會很大程度影響準(zhǔn)直光束的發(fā)散角代虾，由圖2-4可知，ΔZ在10~40μm范圍內(nèi)變化時(shí)激蹲，準(zhǔn)直后慢軸發(fā)散角并沒有太大變化棉磨，因此，SAC在z軸方向的變化有一個(gè)很寬松的范圍学辱。
3乘瓤，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)策泣，此時(shí)SAC的后表面與入射光束從垂直入射變成了斜入射衙傀，SAC相當(dāng)于一個(gè)平行平板，會在垂直方向?qū)馐a(chǎn)生一個(gè)高度的誤差萨咕，但是不會影響發(fā)散角變化统抬。如圖2-5所示。
圖2-5角度誤差βx示意圖
由圖2-5可知危队，隨著SAC的偏轉(zhuǎn)角βx的增大蓄喇，光束的位置會隨著提高，在裝調(diào)的過程中要注意不要使平移高度超過0.2mm交掏，否則會影響上下層光束的傳播妆偏。
4，βy和βz角度誤差
對半導(dǎo)體激光器進(jìn)行慢軸準(zhǔn)直時(shí)盅弛，SAC繞y軸旋轉(zhuǎn)一定角度產(chǎn)生角度誤差βy钱骂，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
同上所述挪鹏，由于單管半導(dǎo)體激光器比bar條寬度小见秽，只有100μm～200μm，所以SAC的角度誤差βy和βz對激光器的慢軸準(zhǔn)直影響較小讨盒，在六軸調(diào)整架能保證的精度范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)解取，基本不會對準(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)返顺。
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)誤差對合束造成的影響禀苦，由于快慢軸準(zhǔn)直鏡的自由度較多蔓肯，所以分別從位置誤差Δx、Δy振乏、Δz和角度誤差βx蔗包、βy、βz六個(gè)方面對快慢軸準(zhǔn)直的影響進(jìn)行分析慧邮。
我司D家代理的德國Cinogy公司的光束分析儀具有分辨率高调限、數(shù)據(jù)精確、實(shí)時(shí)顯示等優(yōu)點(diǎn)误澳，可以實(shí)時(shí)顯示光斑形狀耻矮，計(jì)算光斑尺寸、發(fā)散角忆谓、M2因子等光束質(zhì)量參數(shù)淘钟。非常適合光纖耦合中的快慢軸準(zhǔn)直鏡、聚焦鏡的安裝調(diào)試陪毡。
相關(guān)文獻(xiàn)：
[1]朱洪波. 大功率半導(dǎo)體激光器單管合束及光纖耦合的研究[D].中國科學(xué)院研究生院（長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所）,2012.
[2]朱洪波,郝明明,彭航宇,張志軍,劉云,秦莉,寧永強(qiáng),王立軍.基于808nm半導(dǎo)體激光器單管合束技術(shù)的光纖耦合模塊[J].中國激光,2012,39(05):1-5.
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