【单管半导体激光器光源空间合束的模拟仿真分析案例1800字】

参考文献单管半导体激光器光源空间合束的模拟仿真分析案例1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，必须满足以下三个条件：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；三是光束的光参数积（积BPP值）要小于光纤的光参数积，因此合束后的光束必须满足以下条件：其中，和分别为快轴和慢轴方向上的光参数积，为光纤直径大小，NA为光纤数值孔径大小。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，如下图所示是在非序列模式下单个单管同时进行快慢轴准直的示意图及准直后的光斑示意图。图1.3-1单管快慢轴方向准直示意图（左：快轴；右：慢轴）图1.3-2单管快慢轴准直光斑示意图根据准直后的光斑示意图可以看出，经过快慢轴准直后的光斑为扁圆形，慢轴方向上光斑半径大于快轴方向上的光斑半径，其大小为，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，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，单管快慢轴方向准直以及合束系统示意图如下图所示：图1.3-3多单管准直示意图（左：快轴方向；右：慢轴方向）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1.3-4准直合束后光斑示意图经过Zemax软件模拟仿真后，可以得出快慢轴方向上叠加后的光参数积，下表给出了合束前后快慢轴方向上的光参数积：表1.3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。2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；三是光束的光参数积（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1.4耦合透镜参数方向曲率半径（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仿真，快慢轴方向示意图分别如下：图1.4-1聚焦透镜示意图（左：快轴；右：慢轴）图1.4-2聚焦后光斑示意图由上图可以看出，经过聚焦后的光斑半径为35μm和13μm左右，小于光纤纤芯半径，因而可以有效的耦合进入光纤里面。3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光器光源、快慢轴准直系统、合束系统以及聚焦耦合系统进行了仿真设计，根据上文的设计结果进行设计并优化后得到设计结果。总的模型如下图所示：图1.5-1系统仿真模型示意图（左：快轴；右：慢轴）耦合输出光纤端面的光斑示意图如下所示：图1.5-2光纤端面处的光斑示意图由上述仿真示意图可以看出，本设计利用Zemax