同轴单棱镜整形研究

　　1　引　言

　　半导体激光器是激光器家族中最具有特点的一种激光器,由于其体积小、发光效率高、结构简单、高速直接调制、调制频率高、可靠性能好、使用寿命长等特点,并且不需要冷却,因此被认为是最具有发展前途的几种激光器之一。但是由于半导体的固有特性,也就是在垂直于和平行于结面方向上激光光束发散角不同,故使衍射作用在输出面上较窄的垂直尺寸引起的光束发散角比水平方向大,通常角度比例为2∶1～6∶1,半导体激光的辐射特性以及像散示意如图1,As为激光器的像散[1,2]。由此,在准直系统中物镜出瞳面上,将得到一个椭圆光斑。

　　要想在国防、工业、商业上应用半导体激光,必须进行准直整形激光光束,经准直透镜以后还是椭圆高斯光束,而应用大多要圆形光斑。目前,常用的有柱面透镜[3]、复合棱镜[4]、棱镜对和四个棱镜[5,6],现介绍一种单棱镜同轴整形半导体激光束。

　　2　棱镜整形原理

　　如图2所示,棱镜材料的折射率为n,当入射的平行光的宽度为D1,在第一表面上入射角为θi,折射角为βi;在第二表面上入射角为μi,折射角为νi,出射光的宽度为D2,则系统放大倍数为M:

通过此原理,可以设计为两棱镜或四棱镜扩束系统。

　　虽然两棱镜或四棱镜扩束系统倍率做的高,但同时给装调带来了很大的困难,装调的结构的精度和系统同轴度要求很高,如果能有一个单棱镜让入射和出射光轴同轴且能作为扩束器,系统就会简化许多。由公式(1)～(6)可设计单棱镜扩束系统,如图5:

　　为此以一个半导体激光为例:半导体激光的1/e2的峰值全宽(FWHM)发散角θ⊥×θ∥=25°×11°,选用Mellesgriot公司的准直透镜[8],焦距f=8mm,其准直系统如图6所示:

　　由棱镜设计原理可知,扩束系统的入射角度与所选用的光学材料有很大的关系,见图7:

　　该整形系统选用ZF5 (Nd=1.736)玻璃,设计一个2.5×同轴扩束棱镜。系统的最后模拟激光辐射像面分别见图8和图9:

　　3　结束语

　　随着半导体激光器应用日益广泛,对其输出光束的整形受到了人们的关注。在进行整形设计时,必须考虑光学元件的加工,价格及光路调节问题。因此,该整形系统具有设计方案和棱镜加工工艺简单,调试相对方便,并且还具有输出和输入同轴等优点。

　　4　参考文献

　　[1]　严瑛白,王超,邬敏贤,等.半导体激光器的二元光学消像散准直器件[J].红外与激光工程,1996,25(5):36～42.