CN108957775A - 具有固有像散半导体激光器的新型理想非球面准直系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光通信技术领域，具体为具有固有像散半导体激光器的新型理想非球面准直系统。该光学系统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具有固有像散的半导体激光器出射的非对称发散特性的椭圆截面高斯光束进行高精度准直，能达到出射光束发散角精确为零度的理想准直效果。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具有固有象散情况下提高光通信系统中的发射精度。

Description

具有固有像散半导体激光器的新型理想非球面准直系统

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体为具有固有像散半导体激光器出射光束的新型理想非球面准直光学系统，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系统普遍使用的激光源，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(即弧矢平面)的典型发散角一般在0～30度范围内变化，平行于结平面(子午平面)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，半导体激光器在弧矢平面内的发光源与子午平面内的发光源并不重合，在光轴方向存在一定的距离(Δl)，称为固有象散，因此出射光束具有非对称发散角特性，势必对半导体激光器出射光束的质量与光学系统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，提高光通信系统中发射天线的发射精度。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系统具有重要的意义。

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“Optics Letter”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系统，仍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射精度和传输效率。

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，再利用三棱镜组将椭圆截面整形为圆形截面准直光束，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。该系统应用于光通信系统中的卡塞格伦天线，可有效提高光通信系统中发射天线的发射精度和传输效率。

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，其非球面设计是根据费马原理建立半导体激光束的光传输准直特性微分方程，利用微积分理论求解微分方程，获得理想非球面在弧矢面与子午面的曲面参数方程，由于通常半导体激光器具有亚毫米量级的固有像散，发射源位于光轴上的不同点，位于平凸透镜左方具有像散的半导体激光器所发出的光经过该透镜后，能达到出射光束发散角精确为零度的理想准直平行光束，该平行光束突破了衍射极限。

本发明中的理想非球面准直平凸透镜在弧矢面与子午面分别满足相应的理想曲面参数方程，具有旋转非对称形状，位于平凸透镜左方具有像散的半导体激光器所发出的光经过该透镜后，能达到出射光束发散角精确为零度的理想准直平行光束，该平行光束突破了衍射极限。

本发明中的理想非球面准直平凸透镜，考虑实际加工情况，采用弧矢面与子午面满足相同理想曲面参数方程的旋转对称理想非球面平凸透镜，偏离其左方焦点一定距离处的点光源(固有像散光源)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)情况下的旋转对称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固有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长轴进行压缩，通过改变三棱镜的顶角对光束的压缩倍数进行控制，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系统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程序对光学系统结构进行最优设计，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在弧矢面内出射光束经理想非球面准直平凸透镜的光路图与出射光束发散角仿真结果。

图5为本发明一种实施例的像散光源在子午面内出射光束经理想非球面准直平凸透镜的光路图与出射光束发散角仿真结果。

图6为本发明一种实施例的三棱镜组整形光路图。

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和三棱镜组在弧矢面和子午面内的光路图。

图8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束准直的光路图。

图9为本发明一种实施例中象散光源情况下的旋转非对称理想非球面准直平凸透镜、旋转对称理想非球面平凸透镜与旋转对称双曲面平凸透镜发散角对比的仿真图。

图10为本发明一种实施例中象散光源情况下的旋转对称理想非球面准直平凸透镜入射角与出射光束发散角关系仿真曲线。

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，在弧矢平面内的发散角一般在0°～30°范围内变化，在子午平面内的发散角在0°～10°范围内变化。并且在弧矢平面内的发光源与子午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固有象散Δl)，势必影响半导体激光束在光学系统中的传输效率，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具有固有像散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，将具有固有像散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。

通常半导体激光器具有亚毫米量级固有的像散(即离焦量)，如图3中的Δl所示，发射源位于光轴上的不同点(如图3中的P点和O点)，形成在弧矢面与子午面非对称的椭圆截面发散激光束。

图4所示，为本发明一种实施例的点源在弧矢面内出射光束经理想非球面准直平凸透镜的光路图与出射光束发散角仿真结果。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。

常规二次非球面如旋转双曲面平凸透镜不能解决半导体激光器存在固有像散的高精度准直问题。理想非球面准直平凸透镜能实现对具有固有像散的半导体激光器出射的非对称发散高斯光束的高精度准直。根据费马原理建立半导体激光束的传输准直特性微分方程，利用微积分理论求解微分方程，通过推导整理得：

根据折射定律，折射角β与发射角α满足sinα＝nsinβ。利用特殊光线：β＝0确定积分常数c。

对于弧矢面内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达到发散角为零度的理想准直效果。由推导可得到随着点M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：

利用上述参数方程可实现对弧矢面内左焦点处点光源出射光线准直发散角为零度的高精度准直。

图5所示，为本发明一种实施例的像散光源在子午面内出射光束经理想非球面准直平凸透镜的光路图与出射光束发散角仿真结果。

在子午面，以β为参变量的理想非球面参数方程为

其中，Δl为半导体激光器的固有像散。利用上述参数方程可实现对子午面内位于焦点左方Δl处点光源出射光线准直发散角为零度的高精度准直。

理想非球面在子午面与弧矢面分别满足相应的理想曲面参数方程(2)和(3)，具有旋转非对称形状，仿真结果表明，位于平凸透镜左方具有像散的半导体激光器所发出的光经过该透镜后，能达到出射光束发散角精确为零度的理想准直平行光束，该平行光束突破了衍射极限。

图6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长轴进行压缩，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。第一个三棱镜的压缩倍数为：

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：

因此得到总的压缩倍数：

通过仿真可得三棱镜的顶角对光束的压缩倍数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。

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和三棱镜组在弧矢面和子午面内的光路图。理想非球面准直平凸透镜用于将具有固有像散半导体激光器出射的非对称发散角高斯光束准直为发散角为零度的高斯光束。三棱镜组将弧矢面内的光束压缩至与子午面内相同宽度的光束，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。

考虑实际加工情况，采用子午面与弧矢面满足相同理想曲面参数方程的旋转对称理想非球面平凸透镜，确定以β为参变量的旋转对称理想非球面参数方程：

图8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9为本发明一种实施例中象散光源情况下的旋转非对称理想非球面准直平凸透镜、旋转对称理想非球面平凸透镜与旋转对称双曲面平凸透镜发散角对比的仿真图。针对固有像散为Δl＝0.3mm(即离焦量0～0.3mm)的半导体激光源，发射源到平凸透镜的平面距离为l＝10mm、中心厚度为d＝5mm、折射率为n＝1.51情况下，分别旋转非对称理想非球面准直平凸透镜、旋转对称理想非球面平凸透镜与旋转对称双曲面平凸透镜进行了仿真。仿真结果表明，具有固有象散的半导体激光器发射源情况下的旋转非对称理想非球面平凸透镜的准直发散角为零度，而固有象散对旋转对称理想非球面平凸透镜和旋转对称双曲面准直平凸透镜的出射光束发散角具有一定的影响，旋转对称理想非球面平凸透镜的准直效果优于旋转对称双曲面准直平凸透镜。

图10为本发明一种实施例中象散光源情况下的旋转对称理想非球面准直平凸透镜入射角与出射光束发散角关系仿真曲线。针对固有像散为Δl＝0.3mm的半导体激光源，发射源到平凸透镜的平面距离为l＝10mm、中心厚度为d＝5mm、折射率为n＝1.51情况下，旋转对称理想非球面准直平凸透镜出射光束发散角小于0.25度。仿真结果表明，旋转对称理想非球面准直平凸透镜对具有固有象散的半导体激光器发射源出射光束具有较好的准直效果。

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，建立三维光学系统各折射面与矢量光线模型，利用MATLAB程序对光线在光学系统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 (4)

1.具有固有像散半导体激光器的新型理想非球面准直系统，其特征在于主要包括理想非球面准直平凸透镜和三棱镜组；理想非球面准直平凸透镜的平面在前，非球面在后，平面与半导体激光器出射端平面粘贴，对具有固有像散的半导体激光器出射的非对称发散特性的椭圆截面高斯光束进行高精度准直，能达到出射光束发散角精确为零度的理想准直效果；通常半导体激光器存在亚毫米量级以上的固有像散，发射源位于光轴上的不同点，理想非球面准直平凸透镜能实现对具有固有像散的半导体激光器出射的非对称发散特性高斯光束高精度准直成椭圆截面的准直光束；进一步利用三棱镜组将椭圆截面的准直光束整形为圆形截面准直光束。

2.根据权利要求1所述的具有固有像散半导体激光器的新型理想非球面准直系统，其特征在于所述理想非球面准直平凸透镜能对半导体激光器出射的非对称发散特性高斯光束达到发散角精确为零度的理想准直效果；其理想非球面具体参数方程是根据费马原理建立半导体激光束的光传输准直特性微分方程，利用微积分理论求解微分方程得到理想非球面参数方程，以平凸透镜第一折射平面的折射角β为参变量，在弧矢面理想非球面参数方程为

在子午面理想非球面参数方程为

理想非球面准直平凸透镜具有旋转非对称形状，其中，Δl为半导体激光器的固有像散。

3.根据权利要求1所述的具有固有像散半导体激光器的新型理想非球面准直系统，其特征在于所述的理想非球面准直平凸透镜，设计平凸透镜中心厚度为d＝5mm、折射率为n＝1.51，发射源到平凸透镜的平面距离为l＝10mm，根据理想非球面参数方程可得到理想非球面具体形状，对于设定固有像散为0.3mm的半导体激光源，即偏离其左方焦点距离一定距离处的点光源，到平凸透镜的平面距离为10.3mm，对于权利要求2中由理想非球面参数方程(1)和(2)确定的旋转非对称理想非球面准直平凸透镜，仿真结果表明，旋转非对称理想非球面准直系统对具有固有像散半导体激光器能达到出射光束在弧矢面和子午面发散角精确为零度的理想准直平行光束。

4.根据权利要求1所述的具有固有像散半导体激光器的新型理想非球面准直系统，其特征在于所述的理想非球面准直平凸透镜，具有旋转非对称结构，对具有固有像散半导体激光器能达到出射光束在弧矢面和子午面发散角精确为零度的理想准直平行光束；考虑实际加工，设计了由参数方程(1)所构成的旋转对称理想非球面平凸透镜，对于固有像散为0.3mm的半导体激光源，弧矢平面发散角0～30度，子午平面发散角0～10度，仿真结果表明，旋转对称理想非球面准直系统对具有固有像散半导体激光器出射光束的准直效果优于相同参数(点光源到透镜的距离、透镜中心厚度、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固有象散的半导体激光器出射光束具有高精度准直效果。