《多单管半导体激光器光纤耦合系统仿真设计》4600字

多单管半导体激光器光纤耦合系统仿真设计目录TOC\o"1-2"\h\u14895多单管半导体激光器光纤耦合系统仿真设计 1111731.1单管半导体激光器光源的设计仿真 190761.2准直光学系统的设计仿真 3107221.2.1快轴准直透镜的设计 355621.2.2慢轴准直透镜系统的设计 7150391.3空间合束的模拟仿真 1082471.4聚焦耦合光学系统的设计 1219631.5多单管半导体激光器光纤耦合仿真设计 13近年来，半导体激光器由于其可靠性高、效率高、结构紧凑、波长范围宽、成本低等优良特性，在医疗领域、军事领域以及工业领域得到广泛应用。但是由于半导体激光器有源层结构的非对称性，导致其在快轴和慢轴方向上的激光光束的发散角、光斑大小等存在相当大的差异，为了改善半导体激光器的输出光束特性，提高半导体激光器输出光束的功率，实现半导体激光器的更为广泛的应用，可以增加耦合半导体激光器的数量，并采用透镜分别对单个激光光束进行准直后通过将多个单管激光光束合束聚焦进入光纤输出，可以有效的改善激光光束质量。1.1单管半导体激光器光源的设计仿真本文模拟仿真所采用的激光光源是东莞市蓝宇激光有限公司销售的单管半导体激光器，具体参数如下表1-1所示：表1-1单管半导体激光器光电特性参数808nm系列输出功率（W）1工作波长（nm）谱宽（nm）工作电流（A）工作电压（V）阈值电流（A）微分电阻（Ω）光束发散角（°）有源层面积（um）在Zemax中有两种方式模拟半导体激光器光源，分别是序列模式和非序列模式，一般情况下，我们使用非序列模式模拟半导体激光器光源，当遇到较为复杂的系统或者对光路优化要求较高时，使用序列模式模拟半导体激光器光源。本文使用Zemax光学设计软件的非序列模式模拟半导体激光器光源。如下图1-1所示是对上述列举参数的单管半导体激光光源进行Zemax仿真后在快慢轴方向上的光束示意图，快轴方向发散角较大，而慢轴方向发散角较小。（a）快轴方向（b）慢轴方向图1-1单管半导体激光器快慢轴方向发光示意图由上图光源示意图可以看出快慢轴方向上的发散角明显不同，具有严重的不对称性。为了提高耦合效率，首先要分别对快慢轴两个方向上的光束进行分别准直。快慢轴方向上的发散角如下图1-2所示：（a）快轴方向（b）慢轴方向图1-2单管半导体激光器快慢轴发散角示意图距离光源0.1mm和2mm处的光斑图像如图1-3所示，可以看出发散角对光斑大小影响较大。（a）z=0.1mm（b）z=2mm图1-3光斑示意图1.2准直光学系统的设计仿真由上文可以看出半导体激光器快慢轴方向上的发散角具有较大的差异，要提高耦合效率，必须先对两个方向上的光束分别准直，下面分别对快轴和慢轴进行研究分析：1.2.1快轴准直透镜的设计由上文分析可以知道快轴方向上的发散角较大，因而准直后造成的像差也较大，而采用一般的柱透镜又难以消除像差造成的影响。综合考虑，选择非球面柱透镜对快轴光束进行准直，以减小像差，提高准直效率，进一步提高耦合效率。在Zemax中，设光轴为z轴，作为非球面的对称轴，以非球面的顶点作为坐标原点，查资料可得Zemax中的非球面方程表达式如下式（1-1）所示：（1-1）其中，；r为镜面孔径半径，c为曲率半径的倒数，k为曲面的圆锥系数，为非球面各阶系数。光束快轴准直原理图如图1-4所示：图1-4光束快轴准直原理图因为准直之后要求激光光束平行出射，可以根据费马原理可以得到（1-2）[15]：（1-2）解式（1-2）可以得到式（1-3）：（1-3）式（1-3）与式（1-1）对比系数后解得各个参数的表达式，如（1-4）所示：（1-4）由基本的几何关系可得式（1-5）：（1-5）将式（1-5）代入式（1-3）可以解得[15]：（1-6）由式（1-6）可以看出，在半导体激光器准直后的目标光斑半径已知的情况下，选定一定的材料，即可计算得到相应的非球面参数。在本文中玻璃材料选择对808nm激光有较高折射率的BK7玻璃，其折射率为n=1.5168，出射光斑半径取y=1mm，解得基本参数如下（1-7）所示：（1-7）按照所计算得到的数值进行优化设计，由于Zemax中在非序列模式下的优化较为复杂，因而选择在序列模式下采用逆反光路的方法进行优化，优化前后的光路示意图如图1-5所示，可以看出优化后的球差明显变小。（a）优化前（b）优化后图1-5优化前后光路示意图优化后的光斑示意图如下图1-6所示：图1-6快轴透镜优化后SPT光斑图由上图可以看出优化后的光斑半径在2.5μm以内，优化后的光斑半径明显减小，优化后的透镜参数数值如下图1-7所示：图1-7快轴准直透镜优化后参数将优化后的参数输入Zemax的非序列模式中进行仿真，准直示意图如下图1-8所示：图1-8快轴方向准直示意图快轴准直前后发散角如下图1-9所示：（a）准直前（b）准直后图1-9快慢轴准直前后发散角由图1-8和图1-9可以看出，经非球面透镜准直后的快轴方向光束近似于平行光，发散角大幅度降低。通过Zemax软件可以得出，光束快轴方向上的光斑半径为0.3828mm，发散半角为0.372度。准直前后的光参数积如下表1-2所示：表1-2快轴准直前后光参数积光束半径（mm）发散半角（mrad）光参数积（mm·mrad）快轴准直前0.0005698.13170.3491快轴准直后0.38286.49262.4851.2.2慢轴准直透镜系统的设计慢轴准直透镜的准直原理与快轴准直透镜的原理基本相同，但是由于慢轴方向上的发散角较快轴方向上的发散角小，对像差要求不是特别高，因而无需采用制作工艺较高的非球面透镜，但是为了更好的准直效果，采用两片普通柱透镜进行准直，可以起到较好的准直效果。图1-10慢轴光束准直原理图柱透镜光束准直原理图如图1-10所示[11]，根据物理光学原理和几何关系列出公式（1-8）：（1-8）为使出射光束发散角尽可能与光轴平行，需要满足式（1-9）：（1-9）结合上式（1-8）和（1-9）可以推导出曲率半径R，表达式为（1-10）所示[11]：（1-10）在本文中玻璃材料选择对808nm激光有较高折射率的BK7玻璃，其折射率为n=1.5168。由于在Zemax的非序列模式中优化透镜参数十分困难且优化得到的参数准确度不够，因而选择在序列模式下进行优化，优化后光路示意图如下图1-11所示：图1-11慢轴透镜组优化后光路图优化后的SPT光斑图如下图1-12所示：图1-12慢轴优化后光斑图由图1-11和图1-12可以看出优化后的光斑较小，光斑半径在8μm范围内，优化后的柱透镜组参数如下图1-13所示;图1-13慢轴方向透镜优化后参数将优化后的参数输入序列模式进行仿真可以得到慢轴方向准直示意图如下图1-14所示：图1-14慢轴方向光束准直示意图经柱透镜组准直前后慢轴方向发散角如下图1-15所示：（a）准直前（b）准直后图1-15慢轴方向发散角由图1-14和图1-15两个部分的仿真图可以看出，准直后慢轴方向上的光束近似为平行光。对于慢轴方向的准直采用两片柱透镜组合进行准直，某种程度上降低了能量的透射率并提高了加工难度，但是降低了发散角，降低了像差，改善了准直光束的光束特性。准直后的发散半角为0.4112度，准直前后的慢轴方向上的光参数积如下表1-3所示：表1-3慢轴准直前后光参数积光束半径（mm）发散半角（mrad）光参数积（mm·mrad）慢轴准直前0.025209.445.236慢轴准直后1.0797.17687.7437以上分析可以看出经准直后的激光的光参数积会变大，这在实际应用中有着更好的参考价值，因为透镜的设计不可能毫无误差，因而经准直后的输出光束一般光束质量较差，为了改善光束质量，提高输出光束功率，需要对多个单管的半导体激光器出射光束进行合束处理，以便进行更多的应用。1.3空间合束的模拟仿真在光纤耦合实验中，要实现完美的光纤耦合，必须满足以下两个个条件：一是准直聚焦后的光斑发散角必须小于光纤的最大接收角；二是光束的发散角要满足光斑的全反射条件，即光斑的最大直径小于纤芯直径。因此合束后激光光束的光参数积必须要小于光纤的光参数积。根据前面的设计，可以得出半导体激光器出射光束经过快慢轴准直系统的示意图，由于经过快轴准直镜时不会对慢轴方向上的光束发散角造成影响，但会改变激光光束的光程，因而慢轴准直系统的些许参数与上文中所设计的准直参数有所不同，如下图1-16所示是在非序列模式下单个单管激光光源同时进行快慢轴准直的示意图.（a）快轴方向（b）慢轴方向图1-16单管快慢轴方向准直示意图经过快慢轴准直后的光斑示意图如图1-17所示：图1-17单管快慢轴准直光斑示意图由图1-17可以看出，经过快慢轴准直后的光斑为扁圆形，慢轴方向上光斑半径明显大于快轴方向上的光斑半径，能量集中分布在中心部分，单管准直效率为94.85%。由上文分析可以看出，快轴方向上的光参数积小于慢轴方向上的光参数积且相差将近三倍左右，为了使快慢轴方向上的光参数积更为接近，将三支单管半导体激光器出射光束在快轴方向上进行叠加[16]，但由于上文中准直后快慢轴方向上的发散角不为0，出射激光光束还会存在一定的发散，因而必须采用等光程结构进行合束，以确保合束后的每个光斑大小相等。因为模拟的半导体激光器相对较小，所以直接采用Zemax非序列模式的阵列模式进行模拟激光光源的输出，三个单管的快慢轴方向准直以及合束系统示意图如下图1-18所示：（a）快轴方向（b）慢轴方向图1-18多单管准直示意图多单管半导体激光器输出光束准直合束后的光斑示意图如下图1-19所示：图1-19多单管准直合束后光斑示意图经过Zemax软件模拟仿真后，可以计算的出得出快慢轴方向上叠加后的光参数积，表1-4给出了合束前后快慢轴方向上的光参数积：表1-4合束前后光参数积方向光斑半径（mm）发散半角（mrad）光参数积（mm·mrad）快轴合束前0.38286.49262.485快轴合束后2.1476.492611.940慢轴合束前1.0797.17687.7437慢轴合束后1.0797.17687.7437由上表可知，经合束后快慢轴方向上的光参数积依然存在差异，但是激光输出功率较原来相比大大提高，合束效率达95.59%。若能更好的降低准直后的发散半角，降低准直后的光参数积，则可以进一步增加单管半导体激光器的数量，进一步提高激光输出功率。除此之外便是提高光纤耦合的效率，也能提高激光输出的功率，这需要很好的校正快慢轴方向上的球差和像散。1.4聚焦耦合光学系统的设计由上文分析可知，准直合束后的光斑要满足一定的条件才能耦合进入光纤输出，因而对光纤耦合要求的技术较高，要确定好耦合透镜的曲率、孔径以及厚度等参数，设计完成并优化好后才能完成高效的耦合。为了得到光束能耦合进入光纤的最小光束尺寸，光束经光学系统耦合后必须满足以下两个条件：一是准直聚焦后的光斑发散角必须小于光纤的最大接收角；二是光束的发散角要满足光斑的全反射条件，即光斑的最大直径小于纤芯直径[2]。若用光参数积来描述便是光束的光参数积（积BPP值）要小于光纤的光参数积。根据现有的光纤进行选择，可以得到光纤参数为光纤芯径200um，数值孔径0.22，及，进而可以计算得到聚集后的最大光束发散角12.709度，最大聚焦光斑半径为0.1mm，由于合束后快慢轴方向上的光斑半径不一致，因而需要分别对快慢轴方向上的光束进行聚焦，经过计算并优化后得出快慢轴耦合柱面透镜的参数如下：表1-5耦合透镜优化后参数方向曲率半径（mm）厚度（mm）玻璃材料快轴10.210.5BK7慢轴-10.0120.3BK7分别在Zemax序列模式下进行模拟优化仿真，快慢轴方向优化示意图如下图1-20所示：（a）快轴方向（b）慢轴方向图1-20聚焦透镜示意图经过柱透镜聚焦后的光斑示意图如图1-21所示：（a）快轴方向（b）慢轴方向图1-21聚焦后光斑示意图由图1-21可以看出，经过聚焦后的光斑半径分别在35μm和13μm范围内，小于光纤纤芯半径，因而可以有效的耦合进入光纤里面。1.5多单管半导体激光器光纤耦合仿真设计本设计方案采用Zemax设计软件进行设计，依次对单管半导体激