《多單管半導(dǎo)體激光器光纖耦合系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)》4600字_第1頁
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多單管半導(dǎo)體激光器光纖耦合系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-2"\h\u14895多單管半導(dǎo)體激光器光纖耦合系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì) 1111731.1單管半導(dǎo)體激光器光源的設(shè)計(jì)仿真 190761.2準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仿真 3107221.2.1快軸準(zhǔn)直透鏡的設(shè)計(jì) 355621.2.2慢軸準(zhǔn)直透鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7150391.3空間合束的模擬仿真 1082471.4聚焦耦合光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1219631.5多單管半導(dǎo)體激光器光纖耦合仿真設(shè)計(jì) 13近年來,半導(dǎo)體激光器由于其可靠性高、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、波長范圍寬、成本低等優(yōu)良特性,在醫(yī)療領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域以及工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是由于半導(dǎo)體激光器有源層結(jié)構(gòu)的非對稱性,導(dǎo)致其在快軸和慢軸方向上的激光光束的發(fā)散角、光斑大小等存在相當(dāng)大的差異,為了改善半導(dǎo)體激光器的輸出光束特性,提高半導(dǎo)體激光器輸出光束的功率,實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的更為廣泛的應(yīng)用,可以增加耦合半導(dǎo)體激光器的數(shù)量,并采用透鏡分別對單個(gè)激光光束進(jìn)行準(zhǔn)直后通過將多個(gè)單管激光光束合束聚焦進(jìn)入光纖輸出,可以有效的改善激光光束質(zhì)量。1.1單管半導(dǎo)體激光器光源的設(shè)計(jì)仿真本文模擬仿真所采用的激光光源是東莞市藍(lán)宇激光有限公司銷售的單管半導(dǎo)體激光器,具體參數(shù)如下表1-1所示:表1-1單管半導(dǎo)體激光器光電特性參數(shù)808nm系列輸出功率(W)1工作波長(nm)譜寬(nm)工作電流(A)工作電壓(V)閾值電流(A)微分電阻(Ω)光束發(fā)散角(°)有源層面積(um)在Zemax中有兩種方式模擬半導(dǎo)體激光器光源,分別是序列模式和非序列模式,一般情況下,我們使用非序列模式模擬半導(dǎo)體激光器光源,當(dāng)遇到較為復(fù)雜的系統(tǒng)或者對光路優(yōu)化要求較高時(shí),使用序列模式模擬半導(dǎo)體激光器光源。本文使用Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的非序列模式模擬半導(dǎo)體激光器光源。如下圖1-1所示是對上述列舉參數(shù)的單管半導(dǎo)體激光光源進(jìn)行Zemax仿真后在快慢軸方向上的光束示意圖,快軸方向發(fā)散角較大,而慢軸方向發(fā)散角較小。(a)快軸方向(b)慢軸方向圖1-1單管半導(dǎo)體激光器快慢軸方向發(fā)光示意圖由上圖光源示意圖可以看出快慢軸方向上的發(fā)散角明顯不同,具有嚴(yán)重的不對稱性。為了提高耦合效率,首先要分別對快慢軸兩個(gè)方向上的光束進(jìn)行分別準(zhǔn)直。快慢軸方向上的發(fā)散角如下圖1-2所示:(a)快軸方向(b)慢軸方向圖1-2單管半導(dǎo)體激光器快慢軸發(fā)散角示意圖距離光源0.1mm和2mm處的光斑圖像如圖1-3所示,可以看出發(fā)散角對光斑大小影響較大。(a)z=0.1mm(b)z=2mm圖1-3光斑示意圖1.2準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仿真由上文可以看出半導(dǎo)體激光器快慢軸方向上的發(fā)散角具有較大的差異,要提高耦合效率,必須先對兩個(gè)方向上的光束分別準(zhǔn)直,下面分別對快軸和慢軸進(jìn)行研究分析:1.2.1快軸準(zhǔn)直透鏡的設(shè)計(jì)由上文分析可以知道快軸方向上的發(fā)散角較大,因而準(zhǔn)直后造成的像差也較大,而采用一般的柱透鏡又難以消除像差造成的影響。綜合考慮,選擇非球面柱透鏡對快軸光束進(jìn)行準(zhǔn)直,以減小像差,提高準(zhǔn)直效率,進(jìn)一步提高耦合效率。在Zemax中,設(shè)光軸為z軸,作為非球面的對稱軸,以非球面的頂點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn),查資料可得Zemax中的非球面方程表達(dá)式如下式(1-1)所示:(1-1)其中,;r為鏡面孔徑半徑,c為曲率半徑的倒數(shù),k為曲面的圓錐系數(shù),為非球面各階系數(shù)。光束快軸準(zhǔn)直原理圖如圖1-4所示:圖1-4光束快軸準(zhǔn)直原理圖因?yàn)闇?zhǔn)直之后要求激光光束平行出射,可以根據(jù)費(fèi)馬原理可以得到(1-2)[15]:(1-2)解式(1-2)可以得到式(1-3):(1-3)式(1-3)與式(1-1)對比系數(shù)后解得各個(gè)參數(shù)的表達(dá)式,如(1-4)所示:(1-4)由基本的幾何關(guān)系可得式(1-5):(1-5)將式(1-5)代入式(1-3)可以解得[15]:(1-6)由式(1-6)可以看出,在半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)直后的目標(biāo)光斑半徑已知的情況下,選定一定的材料,即可計(jì)算得到相應(yīng)的非球面參數(shù)。在本文中玻璃材料選擇對808nm激光有較高折射率的BK7玻璃,其折射率為n=1.5168,出射光斑半徑取y=1mm,解得基本參數(shù)如下(1-7)所示:(1-7)按照所計(jì)算得到的數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),由于Zemax中在非序列模式下的優(yōu)化較為復(fù)雜,因而選擇在序列模式下采用逆反光路的方法進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化前后的光路示意圖如圖1-5所示,可以看出優(yōu)化后的球差明顯變小。(a)優(yōu)化前(b)優(yōu)化后圖1-5優(yōu)化前后光路示意圖優(yōu)化后的光斑示意圖如下圖1-6所示:圖1-6快軸透鏡優(yōu)化后SPT光斑圖由上圖可以看出優(yōu)化后的光斑半徑在2.5μm以內(nèi),優(yōu)化后的光斑半徑明顯減小,優(yōu)化后的透鏡參數(shù)數(shù)值如下圖1-7所示:圖1-7快軸準(zhǔn)直透鏡優(yōu)化后參數(shù)將優(yōu)化后的參數(shù)輸入Zemax的非序列模式中進(jìn)行仿真,準(zhǔn)直示意圖如下圖1-8所示:圖1-8快軸方向準(zhǔn)直示意圖快軸準(zhǔn)直前后發(fā)散角如下圖1-9所示:(a)準(zhǔn)直前(b)準(zhǔn)直后圖1-9快慢軸準(zhǔn)直前后發(fā)散角由圖1-8和圖1-9可以看出,經(jīng)非球面透鏡準(zhǔn)直后的快軸方向光束近似于平行光,發(fā)散角大幅度降低。通過Zemax軟件可以得出,光束快軸方向上的光斑半徑為0.3828mm,發(fā)散半角為0.372度。準(zhǔn)直前后的光參數(shù)積如下表1-2所示:表1-2快軸準(zhǔn)直前后光參數(shù)積光束半徑(mm)發(fā)散半角(mrad)光參數(shù)積(mm·mrad)快軸準(zhǔn)直前0.0005698.13170.3491快軸準(zhǔn)直后0.38286.49262.4851.2.2慢軸準(zhǔn)直透鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)慢軸準(zhǔn)直透鏡的準(zhǔn)直原理與快軸準(zhǔn)直透鏡的原理基本相同,但是由于慢軸方向上的發(fā)散角較快軸方向上的發(fā)散角小,對像差要求不是特別高,因而無需采用制作工藝較高的非球面透鏡,但是為了更好的準(zhǔn)直效果,采用兩片普通柱透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直,可以起到較好的準(zhǔn)直效果。圖1-10慢軸光束準(zhǔn)直原理圖柱透鏡光束準(zhǔn)直原理圖如圖1-10所示[11],根據(jù)物理光學(xué)原理和幾何關(guān)系列出公式(1-8):(1-8)為使出射光束發(fā)散角盡可能與光軸平行,需要滿足式(1-9):(1-9)結(jié)合上式(1-8)和(1-9)可以推導(dǎo)出曲率半徑R,表達(dá)式為(1-10)所示[11]:(1-10)在本文中玻璃材料選擇對808nm激光有較高折射率的BK7玻璃,其折射率為n=1.5168。由于在Zemax的非序列模式中優(yōu)化透鏡參數(shù)十分困難且優(yōu)化得到的參數(shù)準(zhǔn)確度不夠,因而選擇在序列模式下進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化后光路示意圖如下圖1-11所示:圖1-11慢軸透鏡組優(yōu)化后光路圖優(yōu)化后的SPT光斑圖如下圖1-12所示:圖1-12慢軸優(yōu)化后光斑圖由圖1-11和圖1-12可以看出優(yōu)化后的光斑較小,光斑半徑在8μm范圍內(nèi),優(yōu)化后的柱透鏡組參數(shù)如下圖1-13所示;圖1-13慢軸方向透鏡優(yōu)化后參數(shù)將優(yōu)化后的參數(shù)輸入序列模式進(jìn)行仿真可以得到慢軸方向準(zhǔn)直示意圖如下圖1-14所示:圖1-14慢軸方向光束準(zhǔn)直示意圖經(jīng)柱透鏡組準(zhǔn)直前后慢軸方向發(fā)散角如下圖1-15所示:(a)準(zhǔn)直前(b)準(zhǔn)直后圖1-15慢軸方向發(fā)散角由圖1-14和圖1-15兩個(gè)部分的仿真圖可以看出,準(zhǔn)直后慢軸方向上的光束近似為平行光。對于慢軸方向的準(zhǔn)直采用兩片柱透鏡組合進(jìn)行準(zhǔn)直,某種程度上降低了能量的透射率并提高了加工難度,但是降低了發(fā)散角,降低了像差,改善了準(zhǔn)直光束的光束特性。準(zhǔn)直后的發(fā)散半角為0.4112度,準(zhǔn)直前后的慢軸方向上的光參數(shù)積如下表1-3所示:表1-3慢軸準(zhǔn)直前后光參數(shù)積光束半徑(mm)發(fā)散半角(mrad)光參數(shù)積(mm·mrad)慢軸準(zhǔn)直前0.025209.445.236慢軸準(zhǔn)直后1.0797.17687.7437以上分析可以看出經(jīng)準(zhǔn)直后的激光的光參數(shù)積會變大,這在實(shí)際應(yīng)用中有著更好的參考價(jià)值,因?yàn)橥哥R的設(shè)計(jì)不可能毫無誤差,因而經(jīng)準(zhǔn)直后的輸出光束一般光束質(zhì)量較差,為了改善光束質(zhì)量,提高輸出光束功率,需要對多個(gè)單管的半導(dǎo)體激光器出射光束進(jìn)行合束處理,以便進(jìn)行更多的應(yīng)用。1.3空間合束的模擬仿真在光纖耦合實(shí)驗(yàn)中,要實(shí)現(xiàn)完美的光纖耦合,必須滿足以下兩個(gè)個(gè)條件:一是準(zhǔn)直聚焦后的光斑發(fā)散角必須小于光纖的最大接收角;二是光束的發(fā)散角要滿足光斑的全反射條件,即光斑的最大直徑小于纖芯直徑。因此合束后激光光束的光參數(shù)積必須要小于光纖的光參數(shù)積。根據(jù)前面的設(shè)計(jì),可以得出半導(dǎo)體激光器出射光束經(jīng)過快慢軸準(zhǔn)直系統(tǒng)的示意圖,由于經(jīng)過快軸準(zhǔn)直鏡時(shí)不會對慢軸方向上的光束發(fā)散角造成影響,但會改變激光光束的光程,因而慢軸準(zhǔn)直系統(tǒng)的些許參數(shù)與上文中所設(shè)計(jì)的準(zhǔn)直參數(shù)有所不同,如下圖1-16所示是在非序列模式下單個(gè)單管激光光源同時(shí)進(jìn)行快慢軸準(zhǔn)直的示意圖.(a)快軸方向(b)慢軸方向圖1-16單管快慢軸方向準(zhǔn)直示意圖經(jīng)過快慢軸準(zhǔn)直后的光斑示意圖如圖1-17所示:圖1-17單管快慢軸準(zhǔn)直光斑示意圖由圖1-17可以看出,經(jīng)過快慢軸準(zhǔn)直后的光斑為扁圓形,慢軸方向上光斑半徑明顯大于快軸方向上的光斑半徑,能量集中分布在中心部分,單管準(zhǔn)直效率為94.85%。由上文分析可以看出,快軸方向上的光參數(shù)積小于慢軸方向上的光參數(shù)積且相差將近三倍左右,為了使快慢軸方向上的光參數(shù)積更為接近,將三支單管半導(dǎo)體激光器出射光束在快軸方向上進(jìn)行疊加[16],但由于上文中準(zhǔn)直后快慢軸方向上的發(fā)散角不為0,出射激光光束還會存在一定的發(fā)散,因而必須采用等光程結(jié)構(gòu)進(jìn)行合束,以確保合束后的每個(gè)光斑大小相等。因?yàn)槟M的半導(dǎo)體激光器相對較小,所以直接采用Zemax非序列模式的陣列模式進(jìn)行模擬激光光源的輸出,三個(gè)單管的快慢軸方向準(zhǔn)直以及合束系統(tǒng)示意圖如下圖1-18所示:(a)快軸方向(b)慢軸方向圖1-18多單管準(zhǔn)直示意圖多單管半導(dǎo)體激光器輸出光束準(zhǔn)直合束后的光斑示意圖如下圖1-19所示:圖1-19多單管準(zhǔn)直合束后光斑示意圖經(jīng)過Zemax軟件模擬仿真后,可以計(jì)算的出得出快慢軸方向上疊加后的光參數(shù)積,表1-4給出了合束前后快慢軸方向上的光參數(shù)積:表1-4合束前后光參數(shù)積方向光斑半徑(mm)發(fā)散半角(mrad)光參數(shù)積(mm·mrad)快軸合束前0.38286.49262.485快軸合束后2.1476.492611.940慢軸合束前1.0797.17687.7437慢軸合束后1.0797.17687.7437由上表可知,經(jīng)合束后快慢軸方向上的光參數(shù)積依然存在差異,但是激光輸出功率較原來相比大大提高,合束效率達(dá)95.59%。若能更好的降低準(zhǔn)直后的發(fā)散半角,降低準(zhǔn)直后的光參數(shù)積,則可以進(jìn)一步增加單管半導(dǎo)體激光器的數(shù)量,進(jìn)一步提高激光輸出功率。除此之外便是提高光纖耦合的效率,也能提高激光輸出的功率,這需要很好的校正快慢軸方向上的球差和像散。1.4聚焦耦合光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由上文分析可知,準(zhǔn)直合束后的光斑要滿足一定的條件才能耦合進(jìn)入光纖輸出,因而對光纖耦合要求的技術(shù)較高,要確定好耦合透鏡的曲率、孔徑以及厚度等參數(shù),設(shè)計(jì)完成并優(yōu)化好后才能完成高效的耦合。為了得到光束能耦合進(jìn)入光纖的最小光束尺寸,光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)耦合后必須滿足以下兩個(gè)條件:一是準(zhǔn)直聚焦后的光斑發(fā)散角必須小于光纖的最大接收角;二是光束的發(fā)散角要滿足光斑的全反射條件,即光斑的最大直徑小于纖芯直徑[2]。若用光參數(shù)積來描述便是光束的光參數(shù)積(積BPP值)要小于光纖的光參數(shù)積。根據(jù)現(xiàn)有的光纖進(jìn)行選擇,可以得到光纖參數(shù)為光纖芯徑200um,數(shù)值孔徑0.22,及,進(jìn)而可以計(jì)算得到聚集后的最大光束發(fā)散角12.709度,最大聚焦光斑半徑為0.1mm,由于合束后快慢軸方向上的光斑半徑不一致,因而需要分別對快慢軸方向上的光束進(jìn)行聚焦,經(jīng)過計(jì)算并優(yōu)化后得出快慢軸耦合柱面透鏡的參數(shù)如下:表1-5耦合透鏡優(yōu)化后參數(shù)方向曲率半徑(mm)厚度(mm)玻璃材料快軸10.210.5BK7慢軸-10.0120.3BK7分別在Zemax序列模式下進(jìn)行模擬優(yōu)化仿真,快慢軸方向優(yōu)化示意圖如下圖1-20所示:(a)快軸方向(b)慢軸方向圖1-20聚焦透鏡示意圖經(jīng)過柱透鏡聚焦后的光斑示意圖如圖1-21所示:(a)快軸方向(b)慢軸方向圖1-21聚焦后光斑示意圖由圖1-21可以看出,經(jīng)過聚焦后的光斑半徑分別在35μm和13μm范圍內(nèi),小于光纖纖芯半徑,因而可以有效的耦合進(jìn)入光纖里面。1.5多單管半導(dǎo)體激光器光纖耦合仿真設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)方案采用Zemax設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),依次對單管半導(dǎo)體激

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