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案例574(1.0) 2cO6'?b 由柱面透校正像散半导体激光光束 M}j[{wW3 作者:Daniel Asoubar(LightTrans) {+ Ibi{ 相关文件:Sc567 em95ccs'- 需求:VirtualLab™5.11.1–基本工具箱 blWtC/!Aq; 许可证:CC-BY-SA 3.0 ySB0"bl 3~Lsa"/ 1. 摘要 ,>01Cs=t8 1) 这个案例显示了使用球面准直透镜和一个柱面透镜对“边缘发射”(“edge-emitting”)半导体激光器产生的高斯光束进行像散矫正。 }VRl L>HAC 2) 参数优化(parametric optimization)用于找到最优的柱面透镜焦距来减小光束像散。 aM
xd"cTzx 3) 由于准直透镜的光束剪切,优化后的系统的波动光学分析显示有旁瓣(side-lob)。 H0!$aO gkX7,J-0 2. 半导体激光器的像散 tUuARo7# 1) 通常由“边缘发射”(“edge-emitting”)半导体激光器发出的光是像散,这意味着在x-z-平面和y-z-平面高斯光束的腰位置并不在同一轴向位置z。像散的幅度由距离p决定。 d/T&J= 2) 此外由于激光半导体中有源层的形状,光束在x和y方向具有不同的发散角。在此例子中,我们假设:Θ𝑥<Θ𝑦,意味着x方向是光束的慢轴且y方向是光束的快轴. (t\U5-w fdWqc_ !-N!Bt8; 3. 像散补偿 L+VQtp&" 1) 像散可以由准直透镜和一个柱面透镜补偿。 3A{)C_1a 2) 此外,这个装置在x和y方向上对光束进行准直,这样最终的发散角在两个方向上是相等的。 Q% d1O kxN
O9w 4. 半导体激光像散的建模 eM
5#L,Y{ ok [_Z; 假设折射率波导(index-guided)半导体激光器有很高的光束质量,这意味着光源可以由一个简单的基模厄米(Hermite)高斯模式模拟。 Y+o\?|q-E 请注意VirtualLab也可以模拟多模或高阶半导体激光器。详情请查看Scenario567。 Gov.;hy 在本例中,半发散角度(1/e2)是:Θ𝑥=6.5°和Θ𝑦=26.5° V%)Tu{L 单色源的波长为670nm。 .P`QCH;Ih 像散的大小p可以由y和x平面之间的 “偏移”(Offset)这个参数定义。在我们的例子中是-10um,对折射率波导 hkyO_ns gq;>DY] BVj(Q}f8 图1 9pPLOXr , 下图显示了由激光二极管发出的像散波前。 *Wvk~ dA (n,@{ 图2 O@
H.k<zn 5. 准直透镜孔径的光束剪切 ?G,gPb 1) 由于半导体激光光束有很大的发散角,准直透镜必须放在二极管前面的几毫米之内。通常透镜数值孔径小于Θ𝑦,并且透镜孔径在y方向剪切或截趾了光束。这种剪切影响光束的衍射特性,所以“旁瓣”(”side-lob”)出现在光束的远场图案中。因此,光束传播不能仅用简单的高斯传播技术。更一般的衍射积分,像平面波的角谱(SPW)方法在VirtualLab中用来确保自由空间中的光束的严格传播。 \@yJbhk 2) 在我们的示例中,球面准直透镜的数值孔径是: M|j=J{r NA=0.37 u]7wd3( 并且焦距 (X
Oz0.W f=5mm。 }3 _b%{ 1og+(m`BL 6. 柱面透镜 ;2\6U; 1) 在我们的示例中,假设柱面透镜引入抛物线相位: J^ewG cC>Svf[CzK 在此,fx=∞。(在我们的例子中,我们使用100km来近似∞。) <&3aP} 2) 在下面我们将通过使用参数优化(parametric optimization)来补偿光束像散。我们将找到最佳值,以确保在x和y方向上的最终半发散角相等。 yci} #,nb 3) 作为一个起始条件,我们将选择=1m。 ,~&HL7v hd i0YL 7. 初始设置 i\l}M]Z# 1) 初始设定的波动光学仿真=1m清楚地显示准直透镜孔径的光束剪切: me{u~9& A6 .wXv, ,Pcg+^A 2) 柱面透镜之后的光束参数探测器(beam parameter detector)是用来计算在x和y方向上的半发散角。其结果是: .4 U*.Rf
*!JB^5(H `Fo/RZOW 3) 柱面透镜之后1m得到光束形状如下: JKfJ%yy | \lm]G7h fqY'Uq$= 4) 由于在准直透镜孔径的剪切,远场模式显然是非高斯模式。 4oH ,_sr 7n.Oem 8. 参数优化(Parametric Optimization) <qpzs@ 1) 参数优化是用来找到最佳焦距𝑓𝑦。 T@i*
F M 2) 在y方向上最终的半发散角应该等于在x方向上的半发散角以补偿像散。因此,正如前两个幻灯片所示,目标值为0.02183° _<{<b @y~kQ5k 9. 优化结果 U|Gy 9" 1) 31次迭代之后,参数优化结束为=2.914m。 );VuZsmi 2) 相应的发散角是: s[y.gR.( CYQ)'v Dol{y=(3e 3) 波动光学分析给出了下面的柱面透镜之后的振幅(amplitude)(左图)和相位分布(phase)(右图)。从右图波前可以看到,几乎完全纠正了像散。 :>;F4gGVG ;Su-Y!& |