导论:半导体激光器(Laser Diode,LD)是很常用的激光器件,普遍应用在光通信、激光泵浦等领域。阵列LD通常因为管芯空间分布的原因导致光束质量较差,需要光束整形以后才能使用。本文以LD bar条为例,介绍在非序列模式下对LD阵列的光束整形。ZEMAX仿真:(1) 单个LD的仿真在非序列模式下,可以用Source Diode来模拟LD。首先将系统波长设置为808nm。在Non-Sequential Component Editor中输入LD的相关参数,如下图:将第1行的Object Type设置为Source Diode,Layout Rays(绘图光线数)设为50,Analysis Rays(分析光线数)设为1000000,Astigmatism(散光)设为1.5,X-divergence(慢轴发散角)设为5(半角),Y-divergence(快轴发散角)设为15(半角),X-SuperGauss(慢轴超高斯参数)设为1,Y-SuperGauss(快轴超高斯参数)设为1,X-Width(慢轴光源宽度)设为0.1,Y-Width(快轴光源宽度)设为0.001,其他参数默认。将第2、3、4行的Object Type设置为Detector Rectangle,探测器的位置分别为0.01,0.5和5mm,像素设为500×500,如下图:查看NSC 3D Layout,如下图:然后打开探测器窗口(Detector Viewer),并追迹所有探测器光线,观察不同位置的光线分布,如下图:Z=0.01时:Z=0.5时,Z=5时,有关非序列模式下单个LD的模拟可参考:Zemax光学设计实例(41)---在非序列模式下模拟激光二极管(2) LD阵列的仿真可以在单个LD的基础上,只需要修改其中的参数,就可以仿真LD阵列。我们仿真20个管芯线性排列(X方向)的LD Bar条,将参数Number X修改为19,Delta X设置为0.5,如下图:查看NSC 3D Layout,如下图:然后打开探测器窗口(Detector Viewer),并追迹所有探测器光线,观察不同位置的光线分布(可以调整下探测器的大小),如下图:Z=0.01时:Z=0.5时:Z=5时,在Setting对话框中,ShowData类型可以设置为IncoherentIrradiance或coherent Irradiance,Smooth为平滑参数,可以设置不同的大小,让图像看上去更平滑。(3) LD阵列光束整形---快轴准直使用快轴准直器(FAC)对LD阵列的快轴方向进行准直。FAC的材料为S-TIH53,长度12mm,宽度1.5mm,厚度1.5mm,有效焦距0.91mm(@808nm),后焦距0.09mm(@808nm),数值孔径NA0.8,后表面为非球面,曲率半径为-0.881,二次非球面系数为-0.1。第3行,FAC的Object Type为Toroidal lens,PositionZ为0.09(后焦距位置),Material为S-TIH53,RadialHeight(半高)为0.75,X Half-Width为6,Thickness为1.5,Radius 2(后表面曲率半径)为-0.881,Coeff2y^2(二次非球面系数)为-0.1,其他参数默认。如下图:查看NSC 3D Layout,如下图:打开探测器窗口(Detector Viewer),并追迹所有探测器光线,观察不同位置的光线分布(可以调整下探测器的大小),如下图:Z=0.5时:Z=5时:从上图看出,虽然快轴方向上的发散角得到压缩了,但慢轴方向上的发散角还是很大。(4) LD阵列光束整形---慢轴准直使用慢轴准直器(SAC)对LD阵列的慢轴方向进行准直。SAC的材料为S-TIH53,长度12mm,宽度1.5mm,厚度0.55mm,有效焦距2.88mm(@808nm),后焦距2.58mm(@808nm),数值孔径NA0.65,节距0.5,曲率半径2.37。慢轴准直镜是由多个小透镜组成的透镜阵列,本文中用Array类型来生成柱面镜阵列,Array类型是在某个父体组件的基础上生成阵列组件,只要建好了父体组件就可以随意生成阵列,适用性更广泛。第4行,先输入父体组件的参数,ObjectType为Toroidal lens(柱面镜),Z Position为-3.23(不在光路中即可),Material为S-TIH53,Tilt About Z为90,Radial Height(半高宽)为0.25,X Half-Width为0.75,Thickness为0.55,Radius 2(后曲率半径)为-2.37,其他参数默认。为了使第4行的父体不影响光路,需要在Object4 Properties中Type对话框的Rays Ignore Object选Always,并在Draw对话框中勾选Do Not DrawObject。如下图:第5行,为基于第4行为父体的阵列组件,Object Type为Array,X Position为5,Z Position为3.2,Tilt About Z为90,父体组件(序号)为4,Number of Y`(阵列数目)为22,Delta Y`(单元间距)为0.5,其他参数默认。将第6、7行的Detector Rectangle,探测器的位置分别为5和15mm,像素设为500×500。如下图:需要注意的是,父体的参数不会都传给阵列物体,例如坐标位置与坐标倾斜参数都不会传给阵列物体。更新NSC 3D Layout,如下图:重新追迹光线分析结果,如下图:Z=5时:Z=15时:如果在以上两个距离的光斑大小差异明显,可以修改SAC的Z轴位置继续优化。这样,利用FAC和SAC对LD阵列的光束整形就做完了。作者有话说:有问题或建议欢迎大家留言,由于我不是每天都登录公众号,超过48小时后就不能主动给大家回复留言了。如果有什么需要讨论,也可以发我E-mail(danny909@)。
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