大功率二极管激光线阵的“smile”测量方法

　　二极管激光器(DL)因其结构紧凑、电光转换效率高、寿命长等特点而得到广泛的应用,但是其输出面的光学损伤限制了大功率的输出,克服这种限制的方法是制作二极管激光线阵(DLA)和2维叠阵。在DLA封装中,由于热沉安装面的平整度不高及二极管线阵与热沉在焊装中热膨胀系数不匹配而产生热应力等因素,导致线阵在垂直于焊装面(快轴)方向发生微小形变,引起发光弯曲,常被称为“smile”现象[1-6]。“smile”直接影响DLA的本身特性和应用,如严重影响出射激光的光束质量[3];增加快轴准直镜引起的离轴像差;影响器件寿命、发光的偏振性[4];对二极管激光在抽运固体激光(DPL)、光纤耦合和外腔二极管激光阵列线宽窄化等中的应用产生不利影响[5]。

　　目前主要通过两种途径来减小DLA中的“smile”:(1)改进封装技术;(2)使用光学矫正系统。因为定量描述“smile”紧密联接着如何减小“smile”的问题,所以对“smile”大小的充分估计可以客观比较不同封装工艺或者矫正方法的优劣。随着大功率激光器中的热效应、热应力问题日益突出,国外已有研究者把研究点转向了线阵内部的发光单元[3]。另外,如何准确方便地测量“smile”也是生产DLA质量控制者关注的热点[6]。

　　本文采用光学成像法和光斑质心算法,对实验室封装的二极管激光线阵进行了“smile”测量实验,并对该测试方法进行了误差分析。

　　1　“smile”实验测量原理及实验装置

　　1.1　实验测量原理

　　实验中采用快轴准直透镜(FAC)把快轴方向光准直,用柱面透镜把慢轴光压缩、成像到CCD上[5]。对记录的图像采用光斑质心算法计算出每个发光单元像的质心位置,利用如下公式[5]

　　得到“smile”的准确大小。式中:Δy为“smile”的大小;f′为FAC透镜的有效焦距;L′为CCD屏到FAC透镜的距离;Δy′为发光单元在CCD屏上的弯曲量大小;β为快轴方向的放大倍率。

　　激光通过FAC透镜的情况如图1所示,当理想准直时[7],FAC透镜到DLA出光面的距离为

式中:Zl为FAC透镜在z轴方向的长度;n为FAC透镜的折射率。

　　1.2　实验装置及数据处理方法

　　图2为测量二极管激光线阵“smile”的装置示意图。从左到右依次为:二极管激光线阵DLA;德国LIMO公司的FAC透镜,有效焦距为910μm,准直后发散角小于3 mrad,折射率为1.82,作用是对DL快轴方向光准直;柱面透镜的焦距为75 mm,双面镀808 nm增透膜,作用是对激光线阵在慢轴方向上压缩成像;衰减镜将激光功率衰减到适合CCD测量范围;CCD像素632×480,像元尺寸13.5μm×13.5μm,波长响应范围190~1 310 nm,12 bit数据采集,信噪比60 dB。

　　质心确定在图像处理技术中用来检测特征区域的位置信息,作用是提高位置定位的精度。先将CCD图片信息转换成灰度数据,进行阈值化处理再求取各个光斑质心,计算公式[8]如下: