基于ZEMAX的半導體激光器勻光設計

黃 珊，鄧磊敏，楊 煥，段 軍*

(1.華中科技大學光學與電子信息學院，武漢430074;2.華中科技大學武漢光電國家實驗室，武漢430074)

引 言

半導體激光器(laser diode，LD)由于具有電光轉換效率高、輸出功率大、體積小、壽命長、可靠性好以及價格低廉等優點，被廣泛應用于照明、醫療、材料加工等諸多領域［1］。然而，半導體激光器光束質量較差，遠場光斑分布呈橢圓高斯型，且存在本征象散。在激光焊接、熔覆及表面熱處理等應用中，能量分布不均易導致材料局部溫度過高而影響材料的性能［2］;在光催化領域研究中，紫外激光光源因其一系列優點受到重視，利用能量均勻分布的紫外半導體激光器光源能得到均勻的催化效果;在半導體激光治療儀的廣泛應用中，輸出能量均勻的光斑可使激光照射的有效治療面積增大，治療效果更顯著。在半導體激光器的很多應用中，都對其光束提出了截面圓化和能量均勻化的要求。為了滿足應用需求，必須對半導體激光器輸出光束進行整形勻化的處理［3-5］。

目前，高斯光束整形成能量均勻分布的平頂光束方法主要有非球面透鏡組［6］、二元光學元件、多光束疊加、復眼透鏡等等。其中，非球面透鏡組的設計結構最為簡潔，容易實現，光能損失小。FAN［7］和FENG 等人［8］在 FRIEDEN 等人［9］提出的將高斯光束利用非球面透鏡組整形成平頂光束的理論基礎上，通過數值分析方法得到非球面鏡的面型參量。但是，數值模擬過程較復雜，數值計算存在誤差，并且若要在較遠位置實現勻光效果，需加擴束系統。

作者利用ZEMAX光學設計軟件設計了一套光束整形勻光系統。先實現單管單模LD的準直和圓化，得到近似高斯能量分布的光束，進而通過勻光透鏡組在某一位置實現能量的均勻化，整體設計簡單，易實現。

1 半導體激光器的光束特性

半導體激光器的有源區在豎直方向和水平方向的孔徑約束大小不一樣，由于衍射等原因導致高斯光束空間分布的不對稱性。在垂直于結平面(快軸)的方向上，發散角一般在20°～40°，光束質量接近衍射極限，為基橫模高斯分布;在平行于結平面(慢軸)的方向上，發散角一般在8°～15°，光束質量很差，為多模厄米-高斯分布。

在ZEMAX中，半導體管沿角度方向上強度分布可用下式表示:

式中，I0為z軸上光強;θx和θy分別是光束與x-z面和y-z面夾角;αx和αy分別為x和y方向上高斯強度1/e2點的遠場發散角;Gx和Gy分別是x和y方向上的“超級高斯因子”，其值為1時，是典型的高斯分布。

多數半導體激光器制造商將激光強度為中心強度一半時的角度(半峰全寬角θFWHM)定義為遠場發散角。于是有:

則有:

由于LD遠場強度分布呈橢圓高斯型，必須經光學系統的整形后才能實際應用。

2 LD整形勻光系統的設計

2.1 準直圓化整形鏡的設計

由于慢軸方向的光束質量很差，半導體激光器不易通過組合透鏡法整形為高斯分布的圓光斑，本部分設計針對的是現有的慢軸方向光束為基模高斯分布的單模LD產品。設計中采用的LD發光波長為780nm，發光區面積 100μm ×100μm，慢軸(x)方向的發散角θ∥=10°，快軸(y)方向的發散角θ⊥=30°(半峰全寬)。由(3)式可得 αx=8.49°，αy=25.47°。在ZEMAX設計中，光源選擇source diode，發光管光強分布的“超級高斯因子”為1。

首先采用非球面鏡實現LD快慢軸光束的準直，由于快軸方向的發散角較大，為了得到良好的準直效果，非球面鏡應采用較大相對孔徑的透鏡。設計中選用了透鏡庫中GELTECH公司的型號為350330的非球面鏡，玻璃型號C0550。然后利用倒置柱面鏡望遠系統對慢軸方向進行擴束，得到高斯圓光斑。擴束系統采用的是伽利略式倒置望遠系統，結構更加緊湊，適用于大功率系統。倒置伽利略望遠鏡是由兩個凹凸透鏡按光學間隔Δ=0的方式組合而成。垂軸放大率:

Fig.1 Layout of collimation and rounding system

Fig.2 Energy distribution of beam after shaping a—spot pattern b—energy profile

式中，f1'為凹透鏡的焦距，f2'為凸透鏡的焦距，D為入瞳直徑，D'為出瞳直徑。柱面鏡選用的面型為Toroidal lens。圖1為LD準直圓化結構圖。

圖2為LD準直整形后得到的圓光斑圖樣，近似服從高斯能量分布，束腰半徑約為1.4mm。x方向的遠場發散角:

式中，wx1為光束傳輸到z1處的束腰半徑;wx2為光束在z2處的束腰半徑。可得αx=0.4mrad，準直效果很好。

2.2 勻光透鏡組的設計

經過準直整形后，光場空間分布近似服從基模高斯分布，可表示為如下形式:

式中，c為常數因子，w(z)為z處的光斑半徑，k為波數，R為波陣面半徑，f為共焦參量。z=0處，光斑束半腰為w。

設光斑半徑為b，將光斑沿徑向均勻分成M等份，則第N個等份內包含的總功率為:

第N個環形光圈中包含的功率為:

式中，u=b2/w2。將每個環內所包含的功率均勻的投影到像面上，設第一等份投影的半徑R1=a，則有:

可得出第N個光環的投影半徑為:

由(10)式可知，可計算出像面上功率密度均勻分布時，入射高斯光束的坐標與像面上位置坐標的對應關系。第一等份投影半徑的大小決定了勻光后光斑的大小。

在ZEMAX序列模式下，采用了兩個偶次非球面鏡，選定第一面非球面鏡的初始結構后，使用“REAY”操作數，控制不同孔徑高處真實光線的偏轉，通過調控權重進行優化，實現能量的均勻分布。在該位置放置第二面非球面鏡，同時使用“REAY”和“REAC”操作數，保證勻化光束的準直射出，在某一位置實現最佳能量勻化效果，且在較長距離范圍內均有勻化效果。

該系統中影響非球面鏡結構的參量包括高斯光束的束腰半徑、均分份數、勻化后的光斑大小及最佳位置選取、透鏡的初始結構(含玻璃類型)及優化操作數權重。由于并無接近的結構作為初始結構，又加上操作數繁多，優化中使用了ZEMAX的宏編程語言，設置系統參量和批量添加操作數，大大提高了效率。

LD整形得到的高斯光斑束腰半徑為1.4mm，選擇勻化后的光斑半徑為3mm，實現勻化的位置離第二面非球面鏡距離為50mm。采用了伽利略式非球面透鏡組合，為一平凹非球面鏡和一平凸非球面鏡，凹凸面的面型參量見表1，玻璃選擇的是常用的BK7。

Table1 Optimized parameters of aspheric lenses

圖3為非序列性(non-sequential)模式下，不同位置的探測器接收到的能量分布情況，依次離第2面非球面鏡距離L為40mm，50mm和60mm，其中圖3b為設計的能量勻化位置。從圖中可以明顯地看出光強分布的變化趨勢，在設計的勻化位置前，平均光強高，邊緣光強低;勻化位置后，平均光強低，邊緣光強增大迅速。這是由于勻化光斑大于高斯光斑，光線經透鏡向外偏轉，傳輸過程中存在一定程度發散。

Fig.3 Energy profile under non-sequential raytracing

2.3 LD整形勻光設計結果及討論

圖4 為LD整形勻光系統在非序列模式中的光線追跡圖，第1面非球面鏡實現快慢軸的準直;第2面和第3面均為柱面鏡，組成倒置望遠系統對慢軸光束擴束，得到一近似高斯光斑;第4和第5面透鏡為非球面鏡，實現勻光設計;第6面為探測器，探測面上的能量分布。

Fig.4 Layout of shaping and homogenization system

圖5 為LD整形勻光后在L=50mm處得到的最佳勻化效果，圖6為該位置在x方向的光強分布情況。根據能量均勻度的計算公式:

Fig.5 Spot pattern after shaping and homogenization

Fig.6 Energy profile on x axis

式中，Ei為采樣點數值,為采樣平均值，n為采樣點個數。能量均勻度反映了截面內的整體光強對平均光強的偏離程度，其值越大，表明能量分布越均勻。LD勻光后的能量變化趨勢仍如圖3所示，均化截面有一個動態的變化范圍。圖7反映了動態范圍內的能量均勻度情況，均勻截面的動態范圍大，在10mm范圍內能量均勻度可達95%以上。從圖中可以看出，最大能量均勻度在勻光透鏡組的設計位置之后，在該位置處邊緣光強開始增大，但并未對均勻度造成很大影響;光束經兩個非球面鏡勻光準直后仍有點發散，中間區域向外發散程度小，能量相對均勻。設計的勻化位置后，由于邊緣光強過高，大多應用中應避免。

Fig.7 Uniformity variation in a dynamic range

設計中發現，LD整形得到的近似高斯分布的圓光斑，當其實際束腰半徑與勻光透鏡組預設的束腰半徑大小有一定出入時，仍能在某一位置得到效果很好的勻光分布，只是與勻光透鏡組設計的最佳位置有偏移。當LD慢軸方向近似高斯能量分布時，也可得到較好的勻光效果。綜上所述，該勻光設計效果理想，且裝調方便。

3 光纖耦合模塊的勻光設計

由于半導體激光器的直接應用受到限制，采用光纖耦合技術改善遠場對稱性、獲得更高功率輸出，已經進行了大量的研究［10］，并且大功率半導體激光器的光纖耦合模塊已經商品化。工業應用中，大功率半導體激光器能量均勻化有重大需求，其中塑料焊接是一典型的應用。

設計中采用nLIGHT公司Pearl系列的大功率半導體激光器光纖耦合模塊，纖芯直徑200μm，能量近似高斯分布，波長940nm，功率50W，選擇勻化后光斑直徑為3mm。將光纖耦合模塊輸出的光束準直擴束，得到光斑直徑1.6mm，然后再進行勻化處理，滿足塑料焊接中的某些能量高勻化要求。

Table 2 Optimized parameters of aspheric lenses

非球面鏡選型仍為伽利略式，凹凸兩面的面型參量見表2，選用模壓玻璃非球面透鏡，玻璃為DZK3。超精密模具的加工技術已經比較成熟，可以制造出各種形狀的高精非球面鏡，與計算機數字控制機床(computer numerical control，CNC)拋光非球面透鏡相比，制作容易，且可批量生產。

圖8為勻化后得到的最佳效果，能量均勻度為96%，能夠滿足對能量均勻性要求比較高的工業應用。

Fig.8 Energy profile on x axis after shaping and homogenization for the best result

4 結論

作者針對LD大發散角、橢圓高斯分布的特性，在ZEMAX中設計了一套光束整形勻光系統，并編寫了相應的宏語言程序，提高了優化效率。模擬結果表明，在非序列模式下，最佳位置的能量均勻度可達96%以上，且在較長范圍內均有勻光效果。

現今，非球面鏡的加工技術已經比較成熟，CNC拋光非球面透鏡和模壓玻璃非球面透鏡均得到廣泛應用，大大提高了非球面整形系統的實際應用價值。該研究為能量均勻化的半導體激光器在激光照明、材料加工、醫療等領域的廣泛應用，提供了有效途徑。隨著半導體激光器光束質量及功率的不斷提高，該勻光系統有廣闊的應用前景。

［1］SHANGGUAN W P.Study on the system of beam shaping for high-power laser diode array［D］.Hangzhou:Zhejiang University，2011:14-38(in Chinese).

［2］HUANGW，WEIH Y，LIY.Effect of relative position error in microlens arrays pair on beam homogenization［J］.Laser Technology，2013，37(1):11-15(in Chinese).

［3］XIONG Y.Research of homogenizing technology for diode laser beam based on kaleidoscope［D］.Wuhan:Huazhong University of Science and Technology，2012:1-5(in Chinese).

［4］BONORA S.Compact beam-shaping system for high-power semiconductor laser bars［J］.Journal of Optics，2007，A9(4):380-386.

［5］CHEN G，ZHAOCh M，JIR Y，etal.Simulation design of semiconductor laser collimation based on ZEMAX［J］.Laser Technology，2012，36(3):318-321(in Chinese).

［6］CHEN K，LIP X，CHEN M，et al.Design and analysis of aspheric lenses system converting Gaussian beam to flattop beam［J］.Laser＆ Optoelectronics Progress，2011(3):54-58(in Chinese).

［7］FAN ZM，LIZ，QIAN L X.Aspherical lens laser beam shaping system［J］.Infrared and Laser Engineering，2012，41(2):353-357(in Chinese).

［8］FENG K，LI JS.Design of aspherics lenses shaping system on Gaussian beam ［J］.Opto-Electronic Engineering，2013，40(5):127-132(in Chinese).

［9］FRIEDEN B R.Lossless conversion of a plane laser wave to a plane wave of uniform irradiance［J］.Applied Optics，1965，4(11):1400-1403.

［10］ZHU H B.Study on high power single emitter diode laser combination and fiber coupling［D］.Changchun:Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，2012:1-13(in Chinese).