大功率半导体激光器远场特性研究

由于半导体激光器输出光束的不对称性,使得它在许多应用过程中必须采用特殊的光学系统进行光束整形。在设计光学系统的光学元件及进行光学耦合时需要了解激光器的远场特性。通过用量子阱激光器的解理面上的边界条件解亥姆霍兹方程,获得关于远场强度分布、光束散角,并用计算机给出各种理论曲线及数据。用自行设计制作的测试装置测量,获得激光器的远场分布曲线给出了测试数据。计算机给出的理论远场分布曲线与实验测试获得的远场分布曲线完全一致。     

阵列半导体激光器的光束参数测量与光纤耦合

采用ISO推荐的方法测量了发光面为 1μm× 15 0 μm的阵列半导体激光器的光束半径、远场发散角、束腰位置、瑞利长度 ,并根据测量结果计算了光束传输因子 (M2 因子 )。以此为基础 ,研究了半导体激光器光束的快轴准直以及光纤耦合技术 ,采用微柱面透镜准直后 ,阵列半导体激光器快轴方向发散角可减小到 0 .48°。设计了光纤耦合光学系统 ,与 10 0 μm光纤耦合时的耦合效率为 71.0 % ,与 2 0 0 μm光纤耦合时的效率为 83.4%。     

基于ABCD矩阵的楔形柱面光纤微透镜的耦合技术分析

运用激光模式耦合理论分析了半导体激光器与楔形柱面光纤微透镜的连接损耗,设计并制作了楔形柱面光纤微透镜用来实现两者的模斑匹配。运用ABCD矩阵方法,对该组件的耦合效率进行了仿真计算和分析,得到了高耦合效率下楔形柱面光纤微透镜的结构参数。该方法可有效地用于楔形柱面光纤微透镜的优化设计。     

孔径光阑输出对太赫兹激光器模式特性的影响

孔径光阑耦合技术是大功率光泵气体太赫兹激光器的一种常用谐振腔设计方法。在不考虑波导对腔内模式形成的影响下,采用传输矩阵的特征向量法,针对孔径光阑耦合太赫兹谐振腔的腔内本征模式以及输出光束特性进行了数值模拟,得到了该种谐振腔在不同g参数下损耗最低的几种本征模式及其相应的衍射损耗;采用衍射积分与矩阵光学结合的方法计算了孔径光阑输出太赫兹激光的光束特性,得到不同本征模式的远场衍射光斑及发散角。研究工作为孔径光阑耦合的气体太赫兹激光器设计提供了理论参考。     

大功率激光二极管双峰结构远场分布模型

为了合理地设计光学系统以整形激光二极管出射光束,必须准确了解激光二极管的远场分布,然而对于大功率激光二极管仍没有形式简单并且较好反映实际器件特性的光束模型。基于亥姆霍兹方程的严格远场解,提出使用两个离心高斯光束描述场源处平行结平面方向的模式场分布,将其代入严格远场解中得到一种描述大功率激光二极管远场光分布模型．用于描述其双峰远场结构。理论模型与三种实际器件的测量数据进行了比较,曲线主要部分都能很好吻合,并且偏差部分的能量仅占总能量的1％～2％。该模型数学表达形式简单,可以方便地用于研究光束经光学系统后的变换,以及计算光学系统的耦合效率,而且对于定量设计光学整形系统十分有用。     

基于像散与理想光源成像原理的高亮度半导体激光器光纤耦合设计方法

运用像散原理和理想光源成像原理,讨论了半导体激光器消像散设计.提出了一种基于消像散的高亮度半导体激光器光纤耦合系统的设计方法.以波长为808 nm,输出功率为10 W的半导体激光器的光纤耦合为例,给出了详细的计算方法和设计步骤.结果表明:采用该方法将半导体激光器光束耦合入数值孔径为0.22,芯径为50 μm的光纤中,耦...     

MEMS阵列光开关的光纤耦合设计

利用高斯光束传输理论进行了阵列光开关的光纤耦合设计计算。根据ABCD矩阵推导出了光束通过球透镜时的传播规律,计算了在光纤与光纤之间两个球透镜耦合的效率,分析了影响耦合效率的因素。通过设计计算,确定了光纤端部的位置,使得整个损耗达到了最小。从理论上来看,在波长λ=1 55μm时,4×4阵列光开关的耦合效率可以达到91%以上。     

半导体激光纵向泵浦的光学耦合系统设计

提出了半导体激光泵浦光束在固体增益介质内的加权平均半径是影响泵浦效率的主要参数；分析了泵浦光束尺寸、椭圆率与斜率效率和阈值的关系。从分析模式匹配理论出发，提出了光学耦合系统的设计和调整应满足的条件，最后对棱镜扩束耦合系统进行了详细计算和简单的实验研究。     

闪耀光栅阵列用于半导体激光器列阵光束整形

介绍了半导体激光器列阵的光束整形理论,设计并制作了由两个闪耀光栅阵列构成的整形光学系统,理论计算表明该系统能将激光器快、慢轴方向的光参数积变为5.7 mm·mrad和8.9 mm·mrad.在整形实验中测得变换后快、慢轴方向的光参数积分别为12 mm·mrad和9.5 mm·mrad,经透镜聚焦后能够实现与芯径200 μm,数值孔径0.22的光纤耦合.     

半导体激光耦合新方法

提出了一种脱离国外模式的半导体激光耦合新方法,使用该方法既可以直接将半导体激光耦合成亮度均匀、光束参数积（BPP）值在两个方向相等的方形光斑,也可和光纤耦合得到一个圆形光斑,且只用球面镜和柱面镜两种光学元件,不需采用国外方法中用到的其它类型微光纤元件。将系统的出瞳作为光斑来解决亮度均匀分布问题;通过消除光源间隔对BPP值的影响来减小慢轴的BPP值;利用点光源的特点使快轴和慢轴的BPP值相等。采用该方法设计了各种要求和规格的半导体激光耦合光学系统,如本文设计实例中的参数为：巴条上的光源数为19个,巴条数为21个,故光源总数为399个。得到的方形光斑尺寸为0.6 mm×0.6 mm,NA值为0.22。此外,和直径为1 mm光纤耦合还得到了一圆形光斑。与国外方法比较,该方法结构简单,工艺要求低,更适用于高功率、低BPP值的半导体激光器。     

ABCD matrix model of quadric interface-lensed fiber and its application in coupling efficiency calculation

In order to simplify the theoretical coupling efficiency calculation of a laser diode (LD) to a single-mode fiber (SMF) with a quadric lens formed on the fiber tip, based on the Gaussian beam approximation, using the ABCD matrix method the relationship between the coupling efficiency and the structure parameters of quadric surface-lensed fiber is studied and analyzed in detail, and the coupling efficiency can reach as high as 99.87% with optimizing parameters of lensed fiber in theoretical simulation. Meanwhile, under paraxial approximation, the ABCD matrix for refraction of different quadric surface micro-lens can be formulated as a unified expression. This result can give some guidance suggestions for fabricating the quadric interface-lensed fiber.     

基于像散与理想光源成像原理的高亮度半导体激光器光纤耦合设计方法

运用像散原理和理想光源成像原理,讨论了半导体激光器消像散设计.提出了一种基于消像散的高亮度半导体激光器光纤耦合系统的设计方法.以波长为808 nm,输出功率为10 W的半导体激光器的光纤耦合为例,给出了详细的计算方法和设计步骤.结果表明:采用该方法将半导体激光器光束耦合入数值孔径为0.22,芯径为50 μm的光纤中,耦合后输出功率为9.712 W,耦合效率为97.12%,功率密度为1.1224×10⁶ W/cm².该方法不仅原理简单,而且设计的耦合系统耦合效率高、体积小,具有较强的实用价值.     

Laser diode to single-mode circular core dispersion-shifted/dispersion-flattened fiber excitation via hyperbolic microlens on the fiber tip: Prediction of coupling efficiency by ABCD matrix formalism

The formulated ABCD matrix formalism is employed to prescribe analytical expression of coupling efficiency of a laser diode to single-mode circular core dispersion-shifted as well as dispersion-flattened fiber via hyperbolic microlens on the tip of the fiber. We assume that field distribution in case of both the source and the fiber is one parameter Gaussian type. For maximum excitation efficiency, it is required that the lens transmitted spot size of the source should match with the spot size of the fiber. Further, as regards the spot size of the fiber, we use Petermann II spot size in order to take care of non Gaussian nature of field of such fibers and to make the estimations more realistic thereby. The investigations are carried out for two different wavelengths 1.3 and 1.5 μm. Our simple method predicts the concerned coupling optics excellently and the necessary evaluations require little computations. This simple but accurate technique is expected to benefit the system designers who work in the field of optical technology.     

Calculation of the light intensity distribution reflected by a spherical cube corner retroreflector array

Because the light intensity distribution (LID) reflected by a spherical cube corner retroreflector array (SCCRA) is of great significance for the detection of the remote laser ranging to receive laser pulse echo precisely and to accomplish the function outstandingly, it is vital to find a method to calculate the LID reflected by SCCRAs with different structural parameters for the SCCRA design. Besides, considering that the reflected light goes through a complex optical system (COS) described by ABCD matrix before it reaches the detector, the method to calculate the LID should be suitable for the COS. This article derives formulae to calculate LID reflected by a SCCRA based on the lens-system diffraction formula of S.A. Collins. In the process of deriving, coordinate transformation matrixes and vector formulations are applied and the dihedral offsets are taken into account. Because the structural parameters of the SCCRA and the expression of the ABCD matrix of the COS are not limited in the deriving process, these formulae are suitable for calculation of the LID reflected by different SCCRA and going through different COS. In addition, computer simulations are applied to explain clearly how to get the LID of a SCCRA by the formulae derived in this paper.     

多芯片半导体激光器光纤耦合设计

应用ZEMAX光学设计软件模拟了一种多芯片半导体激光器光纤耦合模块,将12支808nm单芯片半导体激光器输出光束耦合进数值孔径0.22、纤芯直径105μm的光纤中,每支半导体激光器功率10 W,光纤输出端面功率达到116.84W,光纤耦合效率达到97.36%,亮度达到8.88MW/(cm2·sr)。通过ZEMAX和ORIGIN软件分析了光纤对接出现误差以及单芯片半导体激光器安装出现误差时对光纤耦合效率的影响,得出误差对光纤耦合效率影响的严重程度从大到小分别为垂轴误差、轴向误差、角向误差。     

半导体激光器与光纤光栅对接耦合研究

半导体激光器管芯与光纤光栅的对接耦合对光纤光栅外腔激光器的特性起到关键作用。利用散射矩阵分析了激光器管芯与光纤光栅外腔的对接耦合，发现对接的距离以及对接的耦合效率决定了光纤光栅外腔激光器的性能。在强反馈情况下,激射波长在光纤光栅外腔有效反射率决定的布喇格波长内随对接耦合距离周期性的变化,对弱反馈情况则有些不同。同时对比了两种情况的边模抑制比。该分析为实际制作器件提供了指导。     

利用光学薄膜模型研究垂直腔面发射激光器的光学特性

可以把垂直腔面发射激光器看作是多层光学薄膜,应用光学薄膜原理对其光学薄膜的特性进行了研究。计算分析了布拉格反射镜和谐振腔模的反射谱受器件结构变化的影响。通过利用菲涅耳系数矩阵法计算,得到了光在垂直腔面发射激光器器件结构中形成的驻波场分布。结果表明,利用菲涅耳系数矩阵法设计垂直腔面发射激光器的光学薄膜是一种快捷准确的方法。     

一种测量GaAs-GaAlAs行波激光放大器增益特性的实验方法

本文报导了一种测量光耦合效率η的新实验方法。这个方法是建立于p-n结短路光电流原理上的。本文推导出适合于行波激光放大器的光耦合效率的公式。短路光电流用一检流计测量,利用公式获得光耦合效率的实验值。利用实验所测光耦合效率,测量了行波激光放大器的增益随注入电流变化的规律,其结果和实验符合。另外本文还介绍了在脉冲注入电流条件下测行波半导体激光放大器增益的实验方法。     

基于组合透镜与渐变折射率光纤改进激光器耦合效率的新方法

提出一种利用组合透镜系统与渐变折射率光纤相结合改进激光 器管芯到单模尾纤耦合性能的新方法. 这种方法首先利用组合透镜系统对具有像 散的激光器输出光束进行整形, 然后采用渐变折射率光纤对整形后的光束进行聚焦处理, 并将处理后的的光束耦合进入普通单模光纤. 利用Jones矩阵理论分析表明, 采用这种方法可以得到86%的功率耦合效率, 1 dB插入损耗对应的渐变折射率光纤长度、 横向偏移和倾斜角容差分别为60 μm, 30 μm和2.4°, 且结构简单, 便于操作, 特别适合于大功率激射的激光模块到单模光纤的耦合. 对于提高激光器输出功率, 改善光束质量具有重要意义.