半导体二极管激光器光学

第!卷!第#期&’()!*+,’)$$%%!年$月!#$%&’(-./)$%%!不产生粒子数反转5$!26在我们的情况下!脉冲间的振动能级激发有效地支持自持放电因此!在自持放电上叠加纳秒电短脉冲是提高横向自持放电34#激光器抽运效率有前途的方法!而无需改变它的结构这可以提高激光效率!并在使用高含量氮的无氦混合气体中用简单电极7非分段电图!不同成份的#$%&$%’(混合气体的复合放电抽运时的效率的相对增量与纳秒极8工作时没有放电收缩在这种源功率!)*与自持放电功率!比值的关系情况下!改善了激光器的工作特效率增大!增量达到001由图#生电离!在非自持放电中不会发性#增大了电流调节范围$简化了和图2可以看出!在脉冲电离情况生如果复合非自持放电中电脉冲放电点燃!并在大电流时提高了放下!使用氮含量大的混合气体是有重复率较低!在某时间间隔内电子电的稳定性和均匀性利的在自持放电中!脉冲间也发密度会降低到这种程度!以致34$参考文献!#$%&’()+*&#+,-./+)012$3/.)456!!9:$++!,;**$*370#&-68+9$:02&-.)+;&=32$3.#$%&&;-03:&-0?@#2=7&320+*9:#+-;*0!9260+:&-.A+B012&-.C);-03:&-0?@#2=7&320+*9+.;#!#!C-03D32&8C+;7013$33$2&-..+)&3&:07-8A)@#2=7&:%320+!*9:+7**8;20.0$#?2EF+;&GHD32&/.+;+I7?-J-66#$%&&456’!*99!++/.;#?2?K7-..+-+7D32$L/.+)012$3/.)()(!*99++,0#0%!白光编译)*+,-.!/&提要@’/.AB,)CD((!99年诞生在美国康涅狄格州的纽黑文!从加州理工学院毕业后进入通用电器研究发展中心工作9?$年!CD((在半导体结中实现了粒子数反转!创建了第一台半导体结激光器这种器件!根据特殊设计的EFG结!用电流将电子直接注入结中运行!因此允许从紧凑的发射源以高效率产生相干光当今!以CD((原始思想工作的二极管激光器!广泛地应用于如3H$H&H显示器$激光打印机和光纤通讯系统等领域关键词半导体二极管激光器EFG结应用+引言本文将描述二极管激光器发射光束的基本特性!讨论分析和调整这种光束的方法用一对柱面透镜将光束准直和成形是一种简单灵活的方法!不仅可以用于二极管激光器!而且也可用于光纤发射的光束$二极管激光器特性半导体二极管激光器结构如图所示!它由增益层7仅几十个纳向侧面变弱在增益导向激光器米厚8和包围它的导向层组成!导向中!这种增益渐变对侧向光束限定层起限定激光模式作用导向层折是很重要的为比较起见!在折射射率略大于周围区域7基质和盖板8率导向激光器中!将导波带相邻区折射率!通过内全反射限定激光模域选择性地刻蚀掉!然后以低折射式通过几个微米宽的金属条状正率覆盖材料代替一般地说!增益电极注入电流!由结对面的基板7接层有高吸收的区域!不直接在电极地电极8收集在正电极底下的粒底下!因此经受的抽运弱!或完全子数反转和增益最强!沿*轴随着无抽运除了杂质和界面上的散射距电极中心线距离增加!增益逐渐损失外!导向层基本是透明的!基收稿日期0$%%2F%F!+1第!卷!第#期&’()!*+,’)$$%%!年$月!#$%&’(-./)$%%!束性质是它的偏振态!典型的是线偏振!其电场平行于结平面*这个性质反映这样的事实!对于平行于结的偏振光7即#!8!其增益多少要比垂直偏振光7下文的#8高*与#相关的导向模在$方向要比与#!相关的模略为加宽*因为加宽模比紧凑模与增益介质层交叠得少!所以当紧凑模超过阈值并开始产图为限定激光模!用导向层包围激活层组成半导体二极管激光器通过正电极注入生激光时!加宽模还未达到*而且!电流!由在结对面的接地电极收集电流限制电子和空穴在薄激活层7量子质和覆盖层也是高透明的步在水平方向加宽7比无像散时8!阱8!对#!7相对于#8更易使激发图$表示在单横模二极管激相位分布显示峰?谷变化@*2%!电子和空穴释放出光子并返回基光器0!%123%456前方的强度和相在激光器向前方发射的光束!态*实际上#偏振超过#!是两种!位分布图在结平面光束发散角呈椭圆截面是合理的7由于衍射8!效应组合的结果*7半高全宽8是!19!!与结垂直方对于远小于的情况在激光!!二极管激光像散的起源向是1:;!在图$上方一行的图激活区内产生像散是由于非均匀0#$%/8中!显示光束没有像散!在增益剖面7沿轴8的原故由于靠沿轴增益剖面的非均匀性!激光器前方的相位分布均匀在中近腔的光轴增益最高!光辐射在腔对波导模具有聚焦作用!迫使沿腔间一行的图0=&$%8!像散距离7定中沿!轴传输时!光束向光腔轴产!轴传输的光束自动形成发散的相义在自由空间中水平束腰和垂直生(增益聚焦)效应!结果是沿腔轴位波前*用光束传输方向7DEF6B#C束腰之间的等价距离8是#!1比两侧有更强的放大B*C*因而!对应研究通过增益介质的光束传输很*%!5!沿轴轻微展宽光束!相位光束向中心塌陷的趋势!发散相位容易证明这一点*图:76表示典型波前发散!其峰?谷变化7即束的边剖面自动形成*关于这个性质!下二极管激光横截面的增益和损耗缘到中心8是@*$%!’在底行图7.&$面会详述*分布*在增益层中间部分的增益最%A8!像散距离#!1$;!5光束进一另一个感兴趣的二极管激光高!沿轴以高斯型下降!在远离中心轴!的区域变为损耗区*在沿腔!轴传输期间!光束截面的相位剖面类似于图:7/6所示*其中高折射率导向层使相位相对于低折射率基质和盖板超前*具有较高折射率的增益介质7红色6使相位更超前于导向层7橙色6!但增益层薄!对于限制模沿$轴的贡献显然很小*同时!图:7&+%/6表示的截面强度分布和相位分布确定了以光束传输方法模拟二极管激光使用的振幅?相位掩模剖面这种特殊掩模以图#$%&’$()二极管激光器!!%*!+%!,!!在前方的强度-左.和相位-右.的对数平#!1%)*!的间隔放置在折射率%%1:):的介质中波长!在这个环境中面图在极大和极小之间强度变化范围是!1!%$3在图-/&$%4.中!光束没有是!%G%%!其中!%是激光束的自由空)/0)2(像散在图-5&$%6.中!在水平的和垂直的束腰之间像散距离-在自由空间.%7$)!沿0轴有较宽的光束!和发散的相位花样!从中心到边缘位相变化是间波长对于入射到掩模上的均匀7#$!在图-8&$%9.图中!像散距离%#,)!光束进一步加宽!并且相位分布表光束!其透射强度和相位分布分别明峰:谷变化;7&$!如图:7&$%/6所示假设增益介质7第!卷!第#期&’()!*+,’)$$%%!年$月!#$%&’(-./)$%%!图!以光束传输方法#$%&模拟二极管激光束所用的两个振幅’相位掩模的剖面(&$%)&表示掩模*的振幅和相位剖面*(&+%+&相应于掩模,的振幅和相位剖面增益介质是在两个-./厚波导层之间的-.,/厚的夹层式膜层(&均匀入射光束的透射强度分布在中心的振幅增益是*.-,/!沿!轴逐渐变到-.0/损耗&值在激活层外!-.00/振幅透过率表示有弱背景损耗)&掩模*的相位1.*,!在激活层内&!在波导层中是/.2!3在基质和盖板中是-!+&掩模,4振幅剖面与(&相同5的相位!在激活层中心是2./!!在远离轴的激活层内是1.*,!*在导向层中是/.2!!在基质和盖板中是-!像散然后给出用图67&$%;5所示的振幅?相位掩模$得到的模拟结果!揭示折射率’反向导向(的增益介质7由粒子数反转引起5可能进一步增加感应像散)图!上方一行的图表示用掩模在光束传输方法8%%步后的75强度!7/5强度的对数和7;5相位图形每步对应在折射率#%96)6的介质内传输%)!的距离!在本模拟中总传输距离是@A!B看到的限制在导向层中的光!仅以微小的分数值泄漏7即逐渐消失5到基底和盖板中逸出导向层的光最终以散射或衍射损失到系统外在图!7;5是在构成导向板的两个%)0!1厚低折射率层之间%)#0!厚的夹层式膜层在激活层中心的振幅增益是*)#02每传输%)*!以高斯型沿!轴逐渐变小!同时在方向保持均匀激活层外的介质背景损耗很小2掩模振幅透射率%)3304!但是在增益层内和远离中心轴区域!光振幅以%)30因子衰减2每传输%)*!5在图67/5中!掩模的相位在激活层内是8)*$!+在两相邻导向层是0)!!!而在基底和盖板区是%!这意味着!例如!如果基底和盖板材料的折射率是#%96)6!则导向层的折射率#*96)!0!激活层介质的折射率#$96)!:实际上!抽运增益介质使其局部折射率下降!所以比较实际的相位掩模应类似于图62;5所示的!其在激活区中心的相位下降到!)0!2相应于##96)!#05相位从这个极小值起沿!轴以高斯型增加!在激活层的高吸收区达到8)*#!这导致沿!轴反向导向2由于在激活层内折射率不均匀5在激活层内的高斯相位剖面迫使激光束沿!轴发散!超过仅由增益剖面产生的发散6!!=其余的掩模与图62/5中的情况一样下面首先给出用图62#$%/5所示的振幅?相位掩模用传输方法的模拟结果!确认仅由增益剖面引起的中!沿!轴的峰?谷相位变化为*8%!!相应于几个微米的像散发散光束图!下方一行的图与上方一行的类似!不同的是用掩模$得到的与增益介质无折射率反向导向情况下比!光束沿!轴略有加宽图!7C5中峰?谷相位变化是*:0!7沿!轴5+对应着比图!7;5情况有更大像散的发散束图!7D5表示在上述模拟中得到的光束功率与传输距离$的关系开始光功率下降!因为初始光束对波导结构进行自身调整!挡掉了与波导模剖面不匹配的光然后增益介质起作用!光功率指数上图2在1--步光束传输方法后的(&强度!)&强度的对数!+&相位图形在这些模拟中所用振幅’相位掩模*如图!(&$%)&所示看到的限制在导向层中的光!以弱的逐渐消失的尾部泄漏到基质和盖板中在+&中!沿6轴峰’谷相位变化为*1-!下面一行47&8%9&5与上面一行4(&8%+&5类似!不同的是用掩模,得到的!掩模,如图!(&$%+&所描述在图9&中!峰’谷相位沿!轴变化是*:/!图;&表示在光束传输方法模拟中!光束功率与传输距离的关系*:第!卷!第#期&’()!*+,’)$$%%!年$月!#$%&’(-./)$%%!图用无像差透镜捕获和准直从二极管激光器发出的单横模光束!然后用剪切干涉仪分析光束截面中任何相位改变都在剪切干涉图上以条纹形式表现升!因为限定模沿光轴传输!剪切干涉仪用无像差透镜捕获和准直单横模二极管激光束!然后用剪切干涉仪分析!如图0所示剪切板产生两个全同的准直光束的复制束!沿!轴或轴彼此有相移同一光束的两个复制束在观察平面上叠加产生干涉图!显示准直光束的相位结构在准直镜出射光瞳上的任何相位不均匀性都在干涉图上以强度变化1即条纹2表现对!%345%67二极管激光器发射的8!90!光束!图:;左面给出在位于%):#$准直透镜出射光瞳后面*%77平面上的强度1上图和相位该透镜位于距激光束两光腰之间的中点%3!)477处!显示的相位花样分别对应于像散&3*%!7!$%!7!9%!7对固定剪切量!3图#左图$位于图的准直镜出射光瞳%)8771水平方向和3$)%771垂外$%&&平面处的强度’上图(和直方向!图:右方给出在剪切板观相位%)#!的透镜位于激光束’%*+,%-&.!*/!.*0!1两光腰察窗观测到的强度花样#从上到下!之间中点有一个焦距’#*!)+&&1激光器的像散分别为&3%!*%!7!右图$在剪切板’$*%)/&&.%*$%!7和9%!72)%&&1观察窗上的强度花样从用柱面透镜准直光束上到下!激光器的像散分别为%&!$%&!2%&和0%&图/用一对柱面透镜准直二极管激光束第一个透镜将光束沿快轴准直!而第二个透镜将光束沿慢轴展开*)04=*%)%!!00;’?’%$@的梯度折射率材料制成透镜的净孔径!30)%77!3)