CN105607276A - 一种半导体激光器的新型理想非球面准直*** - Google Patents

Abstract

本发明属于光通信技术领域，具体为一种半导体激光器的新型理想非球面准直***。该光学***由理想非球面准直平凸透镜和三棱镜组两部分构成，设计方法基于三维矢量折射理论。理想非球面准直平凸透镜将半导体激光器出射的非对称发散角特性的激光束准直为高精度准直激光束，理论上可突破衍射极限。应用于半导体激光器发射源有象散的情况，所产生的发散角明显优于传统的旋转双曲面准直平凸透镜的准直效果。再利用三棱镜组将椭圆横截面的高精度准直光束整形为横截面为圆形的高精度准直光束。本发明有助于在半导体激光器发射源有象散的情况下提高光通信***中的发***度。

Description

一种半导体激光器的新型理想非球面准直***

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体为一种半导体激光器出射光束的新型理想非球面准直光学***，产生高精度准直激光束。

背景技术

随着科学技术的发展，人们对通信容量的需求越来越高。光通信具有微小的光束发散角和高的方向性(因而具有较高的军事保密性)、速率高、传输容量大(比微波通信高3～5个数量级)、重量轻等优点，已逐渐成为国际化的研究热点。光学天线作为光通信技术领域的关键性发射部件存在高精度准直与整形两个关键技术问题。因此高精度预准直与整形技术是确保实现远距离空间激光通信的关键技术，也是提高捕获、对准与跟踪(APT)精度的重要保证。

半导体激光器是光通信***普遍使用的激光源，其有源区类似于一个矩形平面介质波导，在传播时容易发散，其出射光束横截面具有椭圆形状，如图1(a)所示。半导体激光器在垂直于结平面(即子午平面)的典型发散角(半角)一般在0～30度范围内变化，平行于结平面(弧矢平面)方向上的发散角在0～10度范围内变化。发散角越小，方向性越好。另外，半导体激光器在子午平面内的发光源与弧矢平面内的发光源并不重合，在光轴方向存在一定的距离(Δl)，称为象散。非对称发散角特性和象散的存在势必对半导体激光器出射光束的质量与光学***的传输效率产生影响。为了使半导体激光器输出的高斯光束能够高质量、高效率地传输进入光学天线，需要对半导体激光器的输出光束进行准直与整形，压缩光束发散角以改善远场对称性和光斑形状，减小象散对光束质量的影响，提高光通信***中发射天线的发***度。因此对半导体激光器出射光束进行高精度准直与整形对于远距离激光通信***具有重要的意义。

2000年牛津大学在“Nature”杂志上报到了用三维全息法制作可见光的光子晶体，其自准直特性可以突破光的衍射极限。2012年，中科院半导体所郑婉华研究组在传统半导体激光器谐振腔结构中引入光子晶体，调控激光振荡模式，从芯片层次改善激光的输出光束质量，首次在国际上研制出905nm波段的高光束质量光子晶体激光器，激光输出远场呈近圆斑分布，垂直(快轴)发散角6.5°，水平(慢轴)发散角7.1°。2013年，济南大学的师生在“OpticsLetter”上发表了在光纤端面制作双轴双曲面微透镜将半导体激光器的快、慢轴发散角分别压缩至6.9°和32.3mrad，耦合至光纤中，耦合效率提高至80％。上述半导体激光器预准直方法所采用的光学***，任不能从根本上改变半导体激光器非对称发散角特性与象散对光传输的影响，从而一定程度限制了光学天线的发***度和传输效率。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出一种产生高精度准直的激光束的新方法，利用理想非球面准直平凸透镜将半导体出射的非对称发散角激光束准直为高精度准直激光束，再利用三棱镜组对椭圆截面准直光束进行整形，实现半导体激光束到光学天线的高效耦合。准直发散角接近衍射极限的激光传输，有效确保远距离空间光通信的实现。

本发明采用的技术方案可分如下两方面概括：一方面，理想非球面准直平凸透镜对半导体激光器出射的非对称发散角高斯光束的高精度准直；另一方面，三棱镜组将光束进一步整形为圆形截面高斯光束。该***应用于光通信***中的卡塞格伦天线，可有效提高光通信***中发射天线的发***度和传输效率。

本发明中的理想非球面准直平凸透镜，位于其左方焦点处的点光源所发出的光经过该透镜后，出射光束与光轴之间的发散角接近于零度，为高精度准直的平行光束，该平行光束理论上可突破衍射极限。

本发明中的理想非球面准直平凸透镜，偏离其左方焦点一定距离处的点光源(象散光源)所发出的光经过该透镜后，出射光束与光轴之间的发散角优于相同参数(焦距、中心厚度、折射率)情况下的旋转双曲面平凸透镜的准直发散角。因此本发明中的理想非球面准直平凸透镜对具有一定象散的半导体激光器出射光束具有较好的准直效果。

本发明中的三棱镜组对经理想非球面准直平凸透镜准直后的椭圆截面的平行光束的短轴进行扩束或对长轴进行压缩，通过改变三棱镜的顶角对光束的压缩(或放大)倍数进行控制，即可实现各种需要的压缩倍数，从而实现椭圆截面的准直光束整形为圆形截面的准直光束。

本发明中的光学准直与整形光学***的设计是基于矢量折射定理，建立三维折射面与矢量光线模型，利用MATLAB程序对光学***结构进行最优设计，对光线在天线中的空间传输进行三维追迹，获得像质评价参数。具体包括：1)出射光束发散角，即光束发散角与光束空间位置的三维分布；2)点列图，即接收平面的光斑分布；3)能量均匀度，即接收平面的三维能量分布曲面等。

附图说明

图1为半导体激光器的出射光束发散特性与象散特性示意图。

图2为本发明一种实施例的半导体激光器的理想非球面准直平凸透镜和三棱镜组的结构框图。

图3为本发明一种实施例的半导体激光器的理想非球面准直平凸透镜和三棱镜组的装配示意图。

图4为本发明一种实施例的点源出射光束经理想非球面准直平凸透镜的光路图。

图5为本发明一种实施例的象散光源出射光束经理想非球面准直平凸透镜的光路图。

图6为本发明一种实施例中作为对比的旋转双曲面准直平凸透镜对象散光准直的光路图。

图7为本发明一种实施例中象散光源情况下的理想非球面准直平凸透镜发散角与旋转双曲面准直平凸透镜发散角对比的仿真图。

图8为本发明一种实施例的三棱镜组整形光路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步阐述和说明本发明。

图1所示，为半导体激光器的出射光束发散特性与象散特性示意图。半导体激光器出射光束具有非对称发散角特性，在子午平面内的发散角(半角)一般在0°～30°范围内变化，在弧矢平面内的发散角在0°～10°范围内变化。并且在子午平面内的发光源与弧矢平面内的发光源并不相交于同一点，在光轴方向存在一定的象散Δl)，势必影响半导体激光束在光学***中的传输效率，需要对其进行高精度的准直与整形。

图2所示，为本发明一种实施例的半导体激光器的理想非球面准直平凸透镜和三棱镜组的结构框图。主要由一个理想非球面准直平凸透镜和三棱镜组构成。理想非球面准直平凸透镜对半导体激光器出射的非对称发散角高斯光束的高精度准直；三棱镜组将椭圆截面的准直光束进一步整形为圆形截面的准直光束。其中理想非球面准直平凸透镜和三棱镜组是本发明具体设计的内容。

图3所示，为本发明一种实施例的半导体激光器的理想非球面准直平凸透镜和三棱镜组的装配示意图。理想非球面准直平凸透镜与半导体激光器出射端面集成在一起，将半导体激光器出射的非对称发散角高斯光束准直为椭圆截面的准直高斯光束。在光路中加入三棱镜组，对椭圆截面的平行光束的长轴进行压缩，使出射光束为圆形截面的高精度准直高斯光束。

图4所示，为本发明一种实施例的点源出射光束经理想非球面准直平凸透镜的光路图。其中n为材料的折射率，焦距为l，平凸透镜的中心厚度为d。α为点源出射的任意光线与主光轴的夹角，β为光线经第一折射平面的折射角，θ为第二折射曲面出射光束与折射点法线之间的夹角。γ为第二折射曲面出射光束与光轴之间的夹角，即出射光束准直发散角。对于第二折射面需要设计使得任意的折射角β所对应的出射光线均平行于光轴，则对任意入射光线所对应的光束发散角γ＝0。由推导可得到随着点N的变化，第二折射曲面坐标x随折射角β的变化函数x(β)，以及y随折射角β的变化函数y(β)表示为：

$\{\begin{array}{c}x\left(\mathrm{\β}\right)=\frac{l\cos \mathrm{\β}}{(n-\cos \mathrm{\β})}\[1-\frac{1}{\sqrt{1-n^2{\sin }^2\mathrm{\β}}}+\frac{d(n-1)}{l}\]\\ y\left(\mathrm{\β}\right)=\frac{l\sin \mathrm{\β}}{(n-\cos \mathrm{\β})}\[1-\frac{1}{\sqrt{1-n^2{\sin }^2\mathrm{\β}}}+\frac{d(n-1)}{l}\]+l\frac{n\sin \mathrm{\β}}{\sqrt{1-n^2{\sin }^2\mathrm{\β}}}\end{array}---\left(1\right)$

利用上述参数方程，制作绕光轴旋转对称的理想非球面准直平凸透镜，即可实现对左焦点处点光源出射光束的高精度准直。

图5所示，为本发明一种实施例的象散光源出射光束经理想非球面准直平凸透镜的光路图。在给定透镜折射率n，焦距l，中心厚度d的情况下，点光源位置沿光轴负的方向移动距离Δl，将对理想非球面准直平凸透镜的出射光束发散角具有一定的影响。

图6所示，为本发明一种实施例中作为对比的旋转双曲面准直平凸透镜对象散光准直的光路图。旋转双曲面准直平凸透镜对点光源具有良好的准直效果。而点光源偏离焦点的距离Δl(即光源象散)将对旋转双曲面准直平凸透镜的出射光束发散角具有一定的影响。

图7所示，为本发明一种实施例中象散光源情况下的理想非球面准直平凸透镜发散角与旋转双曲面准直平凸透镜发散角对比的仿真图。在给定透镜折射率n，焦距l，中心厚度d的情况下，对于不同的象散距离Δl，理想非球面准直平凸透镜的准直发散角明显优于旋转双曲面准直平凸透镜的准直效果。表明理想非球面准直平凸透镜比旋转双曲面准直平凸透镜更适用于具有一定象散的半导体激光器发射源。

图8所示，为本发明一种实施例的三棱镜组整形光路图。利用三棱镜组实现对椭圆截状的平行光束的短轴的扩束或对长轴的压缩，使得椭圆截面光束整形为圆形截面准直光束。两个直角棱镜具有相同形状，其顶角均为δ。第一个三棱镜的放大倍数为：

$M_1=\frac{d_2}{d_1}=\frac{{\mathrm{cos\φ}}_2}{{\mathrm{cos\φ}}_1}=\frac{\sqrt{1-n^2{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_1}}{{\mathrm{cos\φ}}_1}=\frac{\sqrt{1-n^2{\sin }^2\mathrm{\δ}}}{cos\mathrm{\δ}}---\left(2\right)$

由于两个三棱镜相同，且使光束也垂直入射于第二透镜的第一面，则同样有：

$M_2=\frac{d_3}{d_2}=\frac{\sqrt{1-n^2{\sin }^2\mathrm{\δ}}}{cos\mathrm{\δ}}---\left(3\right)$

因此得到总的放大(或压缩)倍数：

$M=M_1\×M_2=\frac{d_3}{d_1}=\frac{1-n^2{\sin }^2\mathrm{\δ}}{{\cos }^2\mathrm{\δ}}---\left(4\right)$

通过仿真可得三棱镜的顶角对光束的压缩(或放大)倍数M的影响，即可实现各种需要的压缩倍数，从而实现将椭圆截面准直光束整形为圆截面准直光束。

本发明中的理想非球面准直平凸透镜和三棱镜组的设计基于矢量折射定理，建立三维光学***各折射面与矢量光线模型，利用MATLAB程序对光线在光学***中的空间传输进行三维追迹，获得出射发散角与光束空间位置之间的关系，以及光束横截面能量分布。具体步骤为：1)建立各折射面的三维参数方程，根据实际需求确定各折射面的大小和显示区域。利用MATLAB程序绘制各曲面参数方程所对应的三维曲面；2)根据入射光线的方向余弦，绘制入射光线，并建立入射光线矢量方程，与第一折射面的方程联合求解，获得该折射面上各折射点的坐标，绘制三维入射光线。再求出折射点处的折射面法线方向余弦，基于矢量折射定理，求出折射光线的方向余弦；再以改折射光线作为第二折射面的入射光线，求得第二折射面的折射光线的方向余弦，并绘制出折射光线，以此类推；3)根据最后一个折射面的折射光线的方向余弦求得出射光线与主轴的夹角，绘制出空间发散角与光线位置之间的关系；4)利用出射光线与观察平面交点的坐标绘制出光斑点列图，根据高斯光束能量计算公式获得观察平面内的能量分布；5)根据各像差的定义绘制出观察平面内的光束像差曲线。

Claims (5)

1.一种半导体激光器的新型理想非球面准直***，其特征在于利用理想非球面准直平凸透镜对半导体激光器出射的非对称发散角高斯光束的高精度准直；利用三棱镜组将椭圆截面的准直光束进一步整形为圆形截面准直光束。该***应用于光通信***中，可有效提高光通信***中发射天线的发***度和传输效率。

2.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的新型理想非球面准直***，其特征在于所述理想非球面准直平凸透镜，位于其左方焦点处的点光源所发出的光经过该透镜后，出射光束与光轴之间的发散角接近于零度，为高精度准直的平行光束，该平行光束理论上可突破衍射极限。

3.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的新型理想非球面准直***，其特征在于所述的理想非球面准直平凸透镜，偏离其左方焦点一定距离处的点光源(象散光源)所发出的光经过该透镜后，出射光束与光轴之间的发散角优于相同参数(焦距、中心厚度、折射率)情况下的旋转双曲面平凸透镜的准直发散角。因此本发明中的理想非球面准直平凸透镜对具有一定象散的半导体激光器出射光束具有较好的准直效果。

4.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的新型理想非球面准直***，其特征在于所述的三棱镜组对经权利要求2所述的理想非球面准直平凸透镜准直后的椭圆截面的平行光束的短轴进行扩束或对长轴进行压缩，通过改变三棱镜的顶角对光束的压缩(或放大)倍数进行控制，即可实现各种需要的压缩倍数，从而实现椭圆截面的准直光束整形为圆形截面的准直光束。

5.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的新型理想非球面准直***，其特征在于所述理想非球面准直平凸透镜和三棱镜组的设计是基于矢量反射定理，建立三维反射面与矢量光线模型，利用MATLAB程序对光学***结构进行最优设计，对光线在光学***中的空间传输进行仿真分析。