正文

半導體激光器快慢軸準直誤差影響因素

一，引言

在單管合束光路的調節過程中，使用微透鏡夾持器對快軸準直鏡(fast axis collimator，FAC)和慢軸準直鏡(slow axis collimator，SAC)進行夾持，整個夾持器安裝在高精度六軸調整架上，可以進行x、y、z、βx、βy、βz六個方向的運動調節，因此夾持器的運動通過調整架的六軸運動來控制。由于FAC的后工作距離半導體激光器腔面很小，所以對FAC和SAC的裝調需要在相機監控下進行精密操作，需要相機實時顯示光斑形狀、光斑尺寸、發散角等以便于調節快慢軸準直鏡的位置。

二，快軸準直誤差分析

在FAC的裝調過程中，如圖1-1所示，除了位置誤差Δx對快軸準直沒有影響以外，其他的位置誤差Δy、Δz以及角度誤差βx、βy、βz對準直光束發散角都有影響。

圖1-1 FAC裝調示意圖

1，位置誤差Δy

FAC 在平行于出光腔面，即垂直于光束傳播方向的面上有一個垂直位移Δy時，經準直柱透鏡準直后的光束將發生方向偏轉，如圖1-2所示，這個偏轉角為 δ 就是指向性誤差。偏轉角 δ 與垂直位移Δy之間存在如下關系：

δ = Δy/ fFAC

其中fFAC為快軸準直鏡焦距

圖1-2 位置誤差Δy給光束準直帶來的影響

圖1-3表示的是單路激光光束準直后發散角與Δy變化的曲線關系，可以看出雖然垂直位置誤差Δy對準直發散角Θ影響不大，但是它對光束的傳播方向影響較大，產生指向性誤差。在0～4μm范圍內變化時，指向誤差可以由1.1mrad線性增加到4.4mrad，斜率為1.1mrad/μm，即FAC在y方向出現1μm的位置誤差將會使準直后光束的遠場發散角增加1.1mrad。

圖1-3 位置誤差Δy對準直后發散角Θ和方向角δ的影響

2，ΔZ位置誤差

在FAC的裝調中，位置誤差△z將會使激光器偏離FAC的后焦點，產生一定的離焦現象，會增加激光器準直后的發散角，這樣造成準直效果變差,光束質量下降，當快軸準直鏡FAC精確地與出光面平行放置時，隨著柱透鏡向z軸的位置發生變化時，快軸方向的準直后發散角將均勻改變，如圖1-4所示。圖中給出的是不同離焦量所引起的遠場分布變化及發散角變化，ΔZ在0~10μm范圍內變化時，準直后快軸發散角由1.63mrad(95%能量范圍)近線性增大到9.2mrad。

因此為了獲得高光束質量的準直光束，就必須控制好位置誤差△z，如果發散角需要準直到3mrad，則位置誤差△z需要小于2μm。

圖1-4 位置誤差△z引起的發散角變化曲線

3，角度誤差βx

在FAC裝調過程中，FAC繞x軸發生旋轉時，會引入軸外像差，從而使激光器準直后的光束出現指向性誤差。圖1-5給出的是不同角度誤差βx所引起的發散角變化曲線，隨著FAC的偏轉角βx的增大，光束的發散角Θ增大的不是很明顯，但是指向性誤差δ卻顯著增加，FAC偏轉1mrad，就會產生0.91mrad的指向性誤差。指向誤差達到 0.88mrad/mrad，如果發散角需要準直到3mrad，則繞x軸旋轉的角度誤差需要小于1.5mrad。

圖1-5 角度誤差βx對準直后發散角Θ和方向角δ的影響

4，βy,和βz角度誤差

在對半導體激光bar條進行快軸準直時，由于bar條的寬度相對于單管半導體激光器較寬，達到了 10mm，因此FAC繞y軸和z軸發生的旋轉的角度誤差βy和βz會引入離軸像差，使得bar條兩側的發光點會出現離軸。但是在單管半導體激光器中，單管發光點寬度僅100μm～200μm，所以FAC的βy和βz角度誤差對單管半導體激光器的快軸準直影響較小，圖1-6和圖1-7為角度誤差βy和βz產生的示意圖。圖1-8為角度誤差βz對光束準直的影響。如圖所示，當βz從0°增加到2°，準直光斑發生了微小的彎曲，由于一般βz可以控制在0.5°范圍內，所以βz的影響可以忽略不計。

圖1-6 角度誤差βy示意圖

圖1-7 角度誤差βz示意圖

三，慢軸準直誤差分析

在半導體激光器慢軸準直鏡(slow axis collimator，SAC)的裝調過程中，由于SAC本身存在6個自由度，因此會產生位置誤差△x、△y、△z和角度誤差βx、βy、βz，如圖2-1所示。由于SAC是柱面鏡，在SAC的y方向口徑范圍之內，△y的位置誤差不會影響激光器的準直效果,除此之外其他的位置誤差以及角度誤差對準直光束發散角都會有一些影響。由于慢軸發散角相對較小，與FAC相比SAC的焦距較長，所使用的SAC面型為球面，而且調試過程中的誤差對光束質量影響相對于FAC的裝調較小。

圖2-1 SAC裝調示意圖

1，位置誤差Δx

圖2-2 位置誤差Δx給光束準直帶來的影響

SAC在平行于出光腔面，即平行于激光器慢軸方向上有一個平行位移Δx時，經SAC準直后的光束將發生方向偏轉，如圖2-2所示，這個偏轉角δ就是指向性誤差，這將導致激光光束傳播方向的改變，降低光束質量。

圖2-3位置誤差Δx對準直后發散角Θ和方向角δ的影響

通過圖2-3可以看出，位置誤差Δx對準直發散角Θ的影響并不大，從0~4μm范圍內變化時，發散角僅增加了0.06mrad，而對光束的傳播方向的影響卻很大，指向性誤差由0mrad線性增加到0.16mrad，斜率為0.4mrad/μm，即SAC在Δy方向出現1μm的位置誤差將會使準直后光束的遠場發散角增加0.04mrad。由此可見，SAC的位置誤差Δx帶來的影響要比FAC的位置誤差Δy影響小。

2，位置誤差Δz

SAC在裝調時，由于在z軸方向的線性平移Δz，將會使激光器偏離SAC的后焦點，產生離焦現象，從而造成慢軸準直后的發散角變大，光束質量下降，如圖2-4所示。

圖2-4位置誤差Δz慢軸準直光束發散角影響

由于實驗中所使用的SAC后焦距較長，達到了20mm，所以在z軸方向發生離焦時并不會很大程度影響準直光束的發散角，由圖2-4可知，ΔZ在10~40μm范圍內變化時，準直后慢軸發散角并沒有太大變化，因此，SAC在z軸方向的變化有一個很寬松的范圍。

3，βx角度誤差

SAC，繞x軸(慢軸方向)偏轉一個小角度βx時，此時SAC的后表面與入射光束從垂直入射變成了斜入射，SAC相當于一個平行平板，會在垂直方向對光束產生一個高度的誤差，但是不會影響發散角變化。如圖2-5所示。

圖2-5角度誤差βx示意圖

由圖2-5可知，隨著SAC的偏轉角βx的增大，光束的位置會隨著提高，在裝調的過程中要注意不要使平移高度超過0.2mm，否則會影響上下層光束的傳播。

4，βy和βz角度誤差

對半導體激光器進行慢軸準直時，SAC繞y軸旋轉一定角度產生角度誤差βy，繞z軸旋轉一定角度產生的角度誤差βz。

圖2-6 角度誤差βy和βz的示意圖

同上所述，由于單管半導體激光器比bar條寬度小，只有100μm～200μm，所以SAC的角度誤差βy和βz對激光器的慢軸準直影響較小，在六軸調整架能保證的精度范圍內運動時，基本不會對準直效果帶來影響，所以βy和βz角度誤差的影響可以忽略不計。

本文討論了單管半導體激光器快慢軸準直鏡的裝調誤差對合束造成的影響，由于快慢軸準直鏡的自由度較多，所以分別從位置誤差

Δx、Δy、Δz和角度誤差βx、βy、βz六個方面對快慢軸準直的影響進行分析。

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審核編輯：湯梓紅