由柱面透校正像散半导体激光光束（1）

cherryjhy · 发表于 2023-5-23 08:47:03

案例574（1.0）
由柱面透校正像散半导体激光光束
作者：Daniel Asoubar（LightTrans）
相关文件：Sc567
需求：VirtualLab™5.11.1–基本工具箱
许可证：CC-BY-SA 3.0

1. 摘要
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。
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。
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）。

2. 半导体激光器的像散
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。
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.

3. 像散补偿
1) 像散可以由准直透镜和一个柱面透镜补偿。
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。

4. 半导体激光像散的建模
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。
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。
在本例中，半发散角度(1/e2)是：Θ𝑥=6.5°和Θ𝑦=26.5°
单色源的波长为670nm。
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

图1

下图显示了由激光二极管发出的像散波前。

图2

5. 准直透镜孔径的光束剪切
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。
2) 在我们的示例中，球面准直透镜的数值孔径是：
NA=0.37
并且焦距
f=5mm。

6. 柱面透镜
1) 在我们的示例中，假设柱面透镜引入抛物线相位：

在此，fx=∞。（在我们的例子中，我们使用100km来近似∞。）
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。
3) 作为一个起始条件，我们将选择

=1m。

7. 初始设置
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：