半导体激光器快慢轴准直误差影响因素
正文
半导体激光器快慢轴准直误差影响因素
一，引言
在单管合束光路的调节过程中，使用微透镜夹持器对快轴准直镜(fast axis collimator，fac)和慢轴准直镜(slow axis collimator，sac)进行夹持，整个夹持器安装在高精度六轴调整架上，可以进行x、y、z、βx、βy、βz六个方向的运动调节，因此夹持器的运动通过调整架的六轴运动来控制。由于fac的后工作距离半导体激光器腔面很小，所以对fac和sac的装调需要在相机监控下进行精密操作，需要相机实时显示光斑形状、光斑尺寸、发散角等以便于调节快慢轴准直镜的位置。
二，快轴准直误差分析
在fac的装调过程中，如图1-1所示，除了位置误差δx对快轴准直没有影响以外，其他的位置误差δy、δz以及角度误差βx、βy、βz对准直光束发散角都有影响。
图1-1 fac装调示意图
1，位置误差δy
fac 在平行于出光腔面，即垂直于光束传播方向的面上有一个垂直位移δy时，经准直柱透镜准直后的光束将发生方向偏转，如图1-2所示，这个偏转角为 δ 就是指向性误差。偏转角 δ 与垂直位移δy之间存在如下关系：
δ = δy/ ffac
其中ffac为快轴准直镜焦距
图1-2 位置误差δy给光束准直带来的影响
图1-3表示的是单路激光光束准直后发散角与δy变化的曲线关系，可以看出虽然垂直位置误差δy对准直发散角θ影响不大，但是它对光束的传播方向影响较大，产生指向性误差。在0～4μm范围内变化时，指向误差可以由1.1mrad线性增加到4.4mrad，斜率为1.1mrad/μm，即fac在y方向出现1μm的位置误差将会使准直后光束的远场发散角增加1.1mrad。
图1-3 位置误差δy对准直后发散角θ和方向角δ的影响
2，δz位置误差
在fac的装调中，位置误差△z将会使激光器偏离fac的后焦点，产生一定的离焦现象，会增加激光器准直后的发散角，这样造成准直效果变差,光束质量下降，当快轴准直镜fac精确地与出光面平行放置时，随着柱透镜向z轴的位置发生变化时，快轴方向的准直后发散角将均匀改变，如图1-4所示。图中给出的是不同离焦量所引起的远场分布变化及发散角变化，δz在0~10μm范围内变化时，准直后快轴发散角由1.63mrad(95%能量范围)近线性增大到9.2mrad。
因此为了获得高光束质量的准直光束，就必须控制好位置误差△z，如果发散角需要准直到3mrad，则位置误差△z需要小于2μm。
图1-4 位置误差△z引起的发散角变化曲线
3，角度误差βx
在fac装调过程中，fac绕x轴发生旋转时，会引入轴外像差，从而使激光器准直后的光束出现指向性误差。图1-5给出的是不同角度误差βx所引起的发散角变化曲线，随着fac的偏转角βx的增大，光束的发散角θ增大的不是很明显，但是指向性误差δ却显著增加，fac偏转1mrad，就会产生0.91mrad的指向性误差。指向误差达到 0.88mrad/mrad，如果发散角需要准直到3mrad，则绕x轴旋转的角度误差需要小于1.5mrad。
图1-5 角度误差βx对准直后发散角θ和方向角δ的影响
4，βy,和βz角度误差
在对半导体激光bar条进行快轴准直时，由于bar条的宽度相对于单管半导体激光器较宽，达到了 10mm，因此fac绕y轴和z轴发生的旋转的角度误差βy和βz会引入离轴像差，使得bar条两侧的发光点会出现离轴。但是在单管半导体激光器中，单管发光点宽度仅100μm～200μm，所以fac的βy和βz角度误差对单管半导体激光器的快轴准直影响较小，图1-6和图1-7为角度误差βy和βz产生的示意图。图1-8为角度误差βz对光束准直的影响。如图所示，当βz从0°增加到2°，准直光斑发生了微小的弯曲，由于一般βz可以控制在0.5°范围内，所以βz的影响可以忽略不计。
图1-6 角度误差βy示意图
图1-7 角度误差βz示意图
三，慢轴准直误差分析
在半导体激光器慢轴准直镜(slow axis collimator，sac)的装调过程中，由于sac本身存在6个自由度，因此会产生位置误差△x、△y、△z和角度误差βx、βy、βz，如图2-1所示。由于sac是柱面镜，在sac的y方向口径范围之内，△y的位置误差不会影响激光器的准直效果,除此之外其他的位置误差以及角度误差对准直光束发散角都会有一些影响。由于慢轴发散角相对较小，与fac相比sac的焦距较长，所使用的sac面型为球面，而且调试过程中的误差对光束质量影响相对于fac的装调较小。
图2-1 sac装调示意图
1，位置误差δx
图2-2 位置误差δx给光束准直带来的影响
sac在平行于出光腔面，即平行于激光器慢轴方向上有一个平行位移δx时，经sac准直后的光束将发生方向偏转，如图2-2所示，这个偏转角δ就是指向性误差，这将导致激光光束传播方向的改变，降低光束质量。
图2-3位置误差δx对准直后发散角θ和方向角δ的影响
通过图2-3可以看出，位置误差δx对准直发散角θ的影响并不大，从0~4μm范围内变化时，发散角仅增加了0.06mrad，而对光束的传播方向的影响却很大，指向性误差由0mrad线性增加到0.16mrad，斜率为0.4mrad/μm，即sac在δy方向出现1μm的位置误差将会使准直后光束的远场发散角增加0.04mrad。由此可见，sac的位置误差δx带来的影响要比fac的位置误差δy影响小。
2，位置误差δz
sac在装调时，由于在z轴方向的线性平移δz，将会使激光器偏离sac的后焦点，产生离焦现象，从而造成慢轴准直后的发散角变大，光束质量下降，如图2-4所示。
图2-4位置误差δz慢轴准直光束发散角影响
由于实验中所使用的sac后焦距较长，达到了20mm，所以在z轴方向发生离焦时并不会很大程度影响准直光束的发散角，由图2-4可知，δz在10~40μm范围内变化时，准直后慢轴发散角并没有太大变化，因此，sac在z轴方向的变化有一个很宽松的范围。
3，βx角度误差
sac，绕x轴(慢轴方向)偏转一个小角度βx时，此时sac的后表面与入射光束从垂直入射变成了斜入射，sac相当于一个平行平板，会在垂直方向对光束产生一个高度的误差，但是不会影响发散角变化。如图2-5所示。
图2-5角度误差βx示意图
由图2-5可知，随着sac的偏转角βx的增大，光束的位置会随着提高，在装调的过程中要注意不要使平移高度超过0.2mm，否则会影响上下层光束的传播。
4，βy和βz角度误差
对半导体激光器进行慢轴准直时，sac绕y轴旋转一定角度产生角度误差βy，绕z轴旋转一定角度产生的角度误差βz。
图2-6 角度误差βy和βz的示意图
同上所述，由于单管半导体激光器比bar条宽度小，只有100μm～200μm，所以sac的角度误差βy和βz对激光器的慢轴准直影响较小，在六轴调整架能保证的精度范围内运动时，基本不会对准直效果带来影响，所以βy和βz角度误差的影响可以忽略不计。
本文讨论了单管半导体激光器快慢轴准直镜的装调误差对合束造成的影响，由于快慢轴准直镜的自由度较多，所以分别从位置误差
δx、δy、δz和角度误差βx、βy、βz六个方面对快慢轴准直的影响进行分析。
我司独家代理的德国cinogy公司的光束分析仪具有分辨率高、数据精确、实时显示等优点，可以实时显示光斑形状，计算光斑尺寸、发散角、m2因子等光束质量参数。非常适合光纤耦合中的快慢轴准直镜、聚焦镜的安装调试。
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产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、精密光学元件等，涉及应用领域涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防及更细分的前沿市场如量子光学、生物显微、物联传感、精密加工、先进激光制造等;可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等优质服务。
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半导体激光器快慢轴准直误差影响因素
一，引言
在单管合束光路的调节过程中，使用微透镜夹持器对快轴准直镜(fast axis collimator，fac)和慢轴准直镜(slow axis collimator，sac)进行夹持，整个夹持器安装在高精度六轴调整架上，可以进行x、y、z、βx、βy、βz六个方向的运动调节，因此夹持器的运动通过调整架的六轴运动来控制。由于fac的后工作距离半导体激光器腔面很小，所以对fac和sac的装调需要在相机监控下进行精密操作，需要相机实时显示光斑形状、光斑尺寸、发散角等以便于调节快慢轴准直镜的位置。
二，快轴准直误差分析
在fac的装调过程中，如图1-1所示，除了位置误差δx对快轴准直没有影响以外，其他的位置误差δy、δz以及角度误差βx、βy、βz对准直光束发散角都有影响。
图1-1 fac装调示意图
1，位置误差δy
fac 在平行于出光腔面，即垂直于光束传播方向的面上有一个垂直位移δy时，经准直柱透镜准直后的光束将发生方向偏转，如图1-2所示，这个偏转角为 δ 就是指向性误差。偏转角 δ 与垂直位移δy之间存在如下关系：
δ = δy/ ffac
其中ffac为快轴准直镜焦距
图1-2 位置误差δy给光束准直带来的影响
图1-3表示的是单路激光光束准直后发散角与δy变化的曲线关系，可以看出虽然垂直位置误差δy对准直发散角θ影响不大，但是它对光束的传播方向影响较大，产生指向性误差。在0～4μm范围内变化时，指向误差可以由1.1mrad线性增加到4.4mrad，斜率为1.1mrad/μm，即fac在y方向出现1μm的位置误差将会使准直后光束的远场发散角增加1.1mrad。
图1-3 位置误差δy对准直后发散角θ和方向角δ的影响
2，δz位置误差
在fac的装调中，位置误差△z将会使激光器偏离fac的后焦点，产生一定的离焦现象，会增加激光器准直后的发散角，这样造成准直效果变差,光束质量下降，当快轴准直镜fac精确地与出光面平行放置时，随着柱透镜向z轴的位置发生变化时，快轴方向的准直后发散角将均匀改变，如图1-4所示。图中给出的是不同离焦量所引起的远场分布变化及发散角变化，δz在0~10μm范围内变化时，准直后快轴发散角由1.63mrad(95%能量范围)近线性增大到9.2mrad。
因此为了获得高光束质量的准直光束，就必须控制好位置误差△z，如果发散角需要准直到3mrad，则位置误差△z需要小于2μm。
图1-4 位置误差△z引起的发散角变化曲线
3，角度误差βx
在fac装调过程中，fac绕x轴发生旋转时，会引入轴外像差，从而使激光器准直后的光束出现指向性误差。图1-5给出的是不同角度误差βx所引起的发散角变化曲线，随着fac的偏转角βx的增大，光束的发散角θ增大的不是很明显，但是指向性误差δ却显著增加，fac偏转1mrad，就会产生0.91mrad的指向性误差。指向误差达到 0.88mrad/mrad，如果发散角需要准直到3mrad，则绕x轴旋转的角度误差需要小于1.5mrad。
图1-5 角度误差βx对准直后发散角θ和方向角δ的影响
4，βy,和βz角度误差
在对半导体激光bar条进行快轴准直时，由于bar条的宽度相对于单管半导体激光器较宽，达到了 10mm，因此fac绕y轴和z轴发生的旋转的角度误差βy和βz会引入离轴像差，使得bar条两侧的发光点会出现离轴。但是在单管半导体激光器中，单管发光点宽度仅100μm～200μm，所以fac的βy和βz角度误差对单管半导体激光器的快轴准直影响较小，图1-6和图1-7为角度误差βy和βz产生的示意图。图1-8为角度误差βz对光束准直的影响。如图所示，当βz从0°增加到2°，准直光斑发生了微小的弯曲，由于一般βz可以控制在0.5°范围内，所以βz的影响可以忽略不计。
图1-6 角度误差βy示意图
图1-7 角度误差βz示意图
三，慢轴准直误差分析
在半导体激光器慢轴准直镜(slow axis collimator，sac)的装调过程中，由于sac本身存在6个自由度，因此会产生位置误差△x、△y、△z和角度误差βx、βy、βz，如图2-1所示。由于sac是柱面镜，在sac的y方向口径范围之内，△y的位置误差不会影响激光器的准直效果,除此之外其他的位置误差以及角度误差对准直光束发散角都会有一些影响。由于慢轴发散角相对较小，与fac相比sac的焦距较长，所使用的sac面型为球面，而且调试过程中的误差对光束质量影响相对于fac的装调较小。
图2-1 sac装调示意图
1，位置误差δx
图2-2 位置误差δx给光束准直带来的影响
sac在平行于出光腔面，即平行于激光器慢轴方向上有一个平行位移δx时，经sac准直后的光束将发生方向偏转，如图2-2所示，这个偏转角δ就是指向性误差，这将导致激光光束传播方向的改变，降低光束质量。
图2-3位置误差δx对准直后发散角θ和方向角δ的影响
通过图2-3可以看出，位置误差δx对准直发散角θ的影响并不大，从0~4μm范围内变化时，发散角仅增加了0.06mrad，而对光束的传播方向的影响却很大，指向性误差由0mrad线性增加到0.16mrad，斜率为0.4mrad/μm，即sac在δy方向出现1μm的位置误差将会使准直后光束的远场发散角增加0.04mrad。由此可见，sac的位置误差δx带来的影响要比fac的位置误差δy影响小。
2，位置误差δz
sac在装调时，由于在z轴方向的线性平移δz，将会使激光器偏离sac的后焦点，产生离焦现象，从而造成慢轴准直后的发散角变大，光束质量下降，如图2-4所示。
图2-4位置误差δz慢轴准直光束发散角影响
由于实验中所使用的sac后焦距较长，达到了20mm，所以在z轴方向发生离焦时并不会很大程度影响准直光束的发散角，由图2-4可知，δz在10~40μm范围内变化时，准直后慢轴发散角并没有太大变化，因此，sac在z轴方向的变化有一个很宽松的范围。
3，βx角度误差
sac，绕x轴(慢轴方向)偏转一个小角度βx时，此时sac的后表面与入射光束从垂直入射变成了斜入射，sac相当于一个平行平板，会在垂直方向对光束产生一个高度的误差，但是不会影响发散角变化。如图2-5所示。
图2-5角度误差βx示意图
由图2-5可知，随着sac的偏转角βx的增大，光束的位置会随着提高，在装调的过程中要注意不要使平移高度超过0.2mm，否则会影响上下层光束的传播。
4，βy和βz角度误差
对半导体激光器进行慢轴准直时，sac绕y轴旋转一定角度产生角度误差βy，绕z轴旋转一定角度产生的角度误差βz。
图2-6 角度误差βy和βz的示意图
同上所述，由于单管半导体激光器比bar条宽度小，只有100μm～200μm，所以sac的角度误差βy和βz对激光器的慢轴准直影响较小，在六轴调整架能保证的精度范围内运动时，基本不会对准直效果带来影响，所以βy和βz角度误差的影响可以忽略不计。
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δx、δy、δz和角度误差βx、βy、βz六个方面对快慢轴准直的影响进行分析。
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