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大面積激光二極管

作者:東譜科技(廣州)有限責任公司 瀏覽: 發表時間:2019-11-18 09:00:00 來源:光電資訊
大面積激光二極管是輻射區域具有非常不對稱形狀的激光二極管。

大面積激光二極管(也稱為寬條形或者寬發射器激光二極管,單發射器激光二極管和高亮度二極管激光器)是邊發射激光二極管,其中位於前表面的發射區域的形狀為寬條形(見圖1),尺寸為1 μm × 100 μm。由於發射器是非對稱的,光束的性質在兩個方向上也是不同的:
1,在垂直方向,寬度很小,因此容易實現單模傳導,且得到衍射極限的光束質量,因此[[M2因子|M2因子]]稍大於1。由於孔徑很小,在該方向的光束發散角很大,光束發散叫的半角為370 mrad,對應的FWHM角範圍為25°。由於發散很快,也稱該方向為快軸。
2,在長度方向(慢軸方向),長條的寬度可以是50,100,200μm甚至更大,因此在該方向上光具有多個空間模式。因此,光束發散角遠大於同尺寸衍射極限的光束,盡管其遠小於快軸方向的發散角。光束質量會下降,對於100 μm的長條,M2在20左右。另外,在水平方向,光束可能有多個峰,強度分布與入射電流有關。
圖1:大面積激光二極管。
長條越寬,能夠得到的功率越高,但是在慢軸方向的光束質量越差。技術上發展的方向是得到越來越高的功率,即使采用的長條很窄的情況下,但是這受限於其前端面很高的光強和相關的熱學問題。特殊的端面鈍化技術可以實現更高的功率。孔徑寬度為100μm時,商用器件的輸出功率通常為幾瓦甚至10瓦。
圖2:大面積激光二極管快軸和慢軸方向輸出光束半徑的演化。在快軸最開始光束半徑非常小,但是迅速增大。
光束形狀的機器不對稱以及在快軸方向上很大的發散角需要對大面積激光器的輸出進行仔細的對準。常用的方法是采用圓柱形的快軸準直透鏡,具有很大的數值孔徑,可與二極管端面相比擬。這種透鏡可以在快軸方向準直光束,避免光束半徑變得過大。第二個圓柱形透鏡在更遠處可以用來準直慢軸光。通過選取合適焦距的透鏡,可以得到圓形光束,但是由於在兩個方向上具有不同的光束質量,因此具有不同的發散角。
激光諧振腔通常都是單色的,半導體芯片端面的電介質塗層提供反射。在較少見的情況下,外置激光諧振腔的一端會采用抗反射塗層。(參閱外腔二極管激光器)
大面積激光二極管常用來泵浦固態激光器。一個器件具有200μm寬的發射器可以輻射的功率為2-4W,因此泵浦激光器可以輻射功率約為2W。激光二極管通常放置在熱電冷卻器,可以在幾納米的範圍內調諧輻射波長,因此輻射峰值與激光晶體的吸收峰值匹配。
有些二極管線陣具有特殊的性質:
將快軸準直透鏡集成到激光器裝置中。由於這樣外裝置的對準公差很小,因此是有利的。還有的激光二極管模塊具有兩個方向的內置光束準直器。
內置的布拉格光柵可以穩定輻射波長,使輻射光譜變窄。采用外置的布拉格光柵也能夠實現相同的效果。
還有拉錐二極管激光器,其中在傳播方向上的寬度顯著增大,因此有源區面積也會顯著增大。光束質量和亮度要比在整個有緣區域具有峰值寬度的激光二極管高。但是,輸出具有很強的像散,與工作功率有關。

與二極管線陣對比

將多個大面積發射器結合起來得到一個器件就是二極管線陣,可以得到幾十瓦甚至大於100W的光功率。但是,二極管線陣的亮度比單個發射器的激光器要低,雖然其輸出功率更高,因為其光束質量更低。因此,設計二極管泵浦的激光器要比簡單的將大面積二極管泵浦要簡單。即使是高功率激光器,包括高功率光纖激光器和放大器,采用多個大面積激光器代替二極管線陣也是由很多優勢的。其中一個優勢為大面積二極管激光器可以開或者關,而不會縮短壽命。


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