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Zemax光学设计实例（83）---在非序列模式下LD阵列的光束整形

2021-12-20 11:05| 发布者：Davis| 查看：2236| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了在非序列模式下使用Zemax进行LD阵列光束整形的过程，包括快轴准直和慢轴准直。FAC和SAC被用来实现快轴和慢轴的准直，以提高LD阵列光束质量。

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：