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自学案例汇编 020：再谈半导体光源前面的章节中，已经谈到了半导体光源非序列模式中的用处。不过，之前也说过对该光源参数的设置并没有搞得太清楚。那么，这里试图专门用一个章节来分析半导体光源建立一个单管半导体光源，其参数设置包括通用类型参数和专门类型参数。通用类型参数包括坐标设置、光线数目设置、波长设置等；专门类型参数包括光源形状设置、光源数目设置、光源分布设置等等。 就这个半导体光源较难以理解的是如下几个参数：像散（Y）方向发散角X（Y）（Y）方向超高斯X（Y）（Y）发光宽度X（Y）（Y）空间分布高斯宽度X（Y）（Y）发光面超高斯因子X（Y）x（即便通过不太容易弄懂这些参数的意义。 根据实际情况，我们假设这个波长为808轴发散角35度（全角），慢轴发散角18度（全角）。不同的发光面尺寸会导致不同的快慢轴发散角，具体参数需要参考厂家的标准。如果仔细计算一下，会发现，快轴方向的光束质量比较好，M2因子小于2，而慢轴方向的光束质量要差很多，M2因子的值大于60。另外，还要注意一点，在发散角的标注方式方面，有的厂家（例如以半高宽（F 式标注，有的厂家则（例如以90%或95%光强（光斑尺寸的刀口测试方法）的形式标注，显然前一种给出的发散角要明显小一些，而后一种则更为标准符合惯例，所以在仿真时要注意理解参数标注的含义。 者 出品 自学案例汇编 图20图20置半导体光源图光线数目析光线数目轴发散角轴光线方向超高斯轴光线方向超高斯轴光源强度分布超高斯轴光源强度分布超高斯他参数默认。 图203轴方向） 者 出品 自学案例汇编 图203轴方向） 然后，添加几个探测器，分别查看不同距离Z=以看到快慢轴的发光面宽度是不同的。 图20探测器光线分析（Z=者 出品 自学案例汇编 图20探测器光线分析=在贴近发光面的位置，探测器所分析的光线与光源本身分布情况基本一致，如图20源为条形光斑。再看图20慢轴方向，光强分布曲线为近似平顶分布，就是超高斯分布（因为而在强度曲线分布是标准高斯分布（因为读者可自行查看。 者 出品 自学案例汇编 图20探测器光线分析（Z=图20探测器光线分析=接着看Z=图20过一小段距离的发散，光斑形状已经接近圆形。再看图20时光线强度分布曲线已经变为近似标准高斯分布了，而 者 出品 自学案例汇编 图20探测器光线分析（Z=图20探测器光线分析（Z=再看Z=图20经过一段距离的发散，光斑形状已经变成了椭圆形，轴为短轴，分别对应半导体光源的快轴和慢轴。而且，再增加距离，这个椭圆的长宽比也不会再发生变化了。 者 出品 自学案例汇编 图20探测器光线分析=图20探测器光线分析=然后，我们要评价这个仿真是否与实际情况相符。根据发散角，先计算一下Z=轴的光斑半径为0）=轴的光斑半径为0轴向强度分布曲线和据光斑尺寸的定义，光强由最大值降为1/e2时为半径。从图20者 出品 自学案例汇编 20可以从图形窗口的菜单“查看坐标值获得。者从“本中找到相应的坐标值。可见仿真效果还是基本接近实际情况的，虽然从上面的分析中，大概了解了各个主要参数的基本含义。然后，我们再通过修改参数，对比分析结果，来详细认知参数的含义。 先修改光源面的尺寸和强度分布参数。轴光源强度分布超高斯轴光源强度分布超高斯他参数不变。 图20探测器光线分析（Z=重新追迹探测器光线。发光面的光线分布情况如图20图20上去似乎是光斑长度变短了，其实不是，只不过超高斯指数变小了，实际高斯束腰宽度并没有变小，实际上应该还变大了一点点。另外，注意的话会发现探测器上的总功率是因为我们将发光面的尺寸增大了，而总功率不变，同时探测器的尺寸没有增加，所以有很少的一部分光线没有被探测到。 者 出品 自学案例汇编 可以看出，发光面的尺寸由相当于一个采样器或者说光阑，将具有高斯或超高斯分布的光斑截取一部分作为光源，而这个高斯或超高斯分布的光斑的束腰宽度由参数高斯指数则由这些参数并不会明显影响光束的远场特性，例如这里Z=如图20变了发光面的强度分布之后，在位置Z=大光强略为减小了一点点，据坐标找到两个轴的光斑半径分别为从结果来看，仿真和理论值反而更加接近了。所以，这几个参数在准直系统的设计中影响并不大，但是对聚焦后的光斑尺寸和分布就有明显影响了。 然后，我们再来看看前面几个参数的特点。主要是散角X、个参数明显会影响到光斑的远场特性，主要是影响光斑的尺寸大小，对准直系统的孔径有明显影响。而这个光线方向的超高斯参数，会明显影响光斑的远场分布特性。 图20探测器光线分析=者 出品 自学案例汇编 图20探测器光线分析=我们将轴光源强度分布超高斯轴光源强度分布超高斯他不变。 重新追迹所有探测器光线分析。发光面的的光斑形状和强度分布如图20图20他距离Z=00见，在光束发散一段距离后，光斑的远场特性与前面的情况有明显的区别。在Z=斑形状看上去类似于矩形光斑，实际是如果同时将会真正产生矩形分布的光斑，如图20外，从分析结果中得出的光斑尺寸的指标，也和之前的结果基本上是一致的。 因此，这个X、两种类型的超高斯参数的作用不同。但要注意，也是允许的最小值，通常都需要重新输入其他值（例如1或大于1的整数）。 最后，说一下散光过测试，这个参数主要对光源发光面者 出品 自学案例汇编 的尺寸和光强分布尺寸有明显影响，会将发光面的不会明显影响光束的远场特性。关系大致为，就是说散光的值如果设为1的话，发光面的图20探测器光线分析（Z=图20探测器光线分析（Z=者 出品 自学案例汇编 图20探测器光线分析（Z=图20探测器光线分析（Z=者 出品 自学案例汇编 图20探测器光线分析（Z=接下来，我们考虑要将这个功率为10里所说的光纤耦合传输，在一定程度上要考虑光纤的特性，比如芯径、数值孔径、耦合效率等等。 在示例文件中有类似的光纤传输模型（请查看路径一种是用单根细长圆柱体代表光纤，如示例文件一种是用两根细长圆柱体代表带包层的光纤模型，如示例文件一种模型的数值孔径很大，后一种则在局部可以约束数值孔径。因为这里要考虑耦合效率的问题，所以要用到后面一种模型。 例文件不符合实际，需要重新编辑材料，将光纤模型的数值孔径约束在常见的纤数值孔径的计算公式为，其中是纤芯折射率，是包层折射率。查阅材料折射率，找到两种满足条件的材料即可，例如算得到的数值孔径约为置半导体光源图光线数目析光线数目者 出品 自学案例汇编 源功率为10，慢轴发散角轴光线方向超高斯轴光线方向超高斯轴光源强度分布超高斯轴光源强度分布超高斯光纤模型是由两个圆柱体层材料为芯材料为常来说，包层直径与芯径的比例为1:过，还有另外一个问题需要考虑。实际情况中，当光线的入射角大于光纤的数值孔径，就会进入包层；而包层可能部分传导或者不传导光线，就是说光线是会从包层漏出去的。但在仿真模型中，光线进入包层后仍然是可以传导的，光线不会轻易从包层漏出去，除非光线的入射角足够大，如图20以进入包层的光线又可能再次进入纤芯，最后都从尾端输出。 但是，我们并不想让进入包层的光线再从尾端输出，这会影响我们对耦合效率的判断。所以，首先笔者想到的是可以将作为包层的圆柱体长度缩短、并且增大包层直径，让进入包层的光线先于纤芯尾端输出，这样由于先发散就明显比纤芯光线的轮廓要大。再加上合理设置探测器的尺寸，就可以减小包层光线对纤芯光线的影响。但经过仿真分析，这种方式还是有一定影响。要尽量减小包层光线的影响，就应该让进入包层的光线不能继续传导才行。 图20非序列元件参数设置 于是，需要增加一个环形面，将进入包层的光线直接吸收掉。如图20置环形面径为2。之所以要用两个环形面，是因为一个环形面还不能完全挡住包层光线，由于孔径的原因一部分在纤芯内的光线还可以再次包层。合理放置两个环形面的位置，就可以基本完全挡住能够进入包层的大角度光线了。当者 出品 自学案例汇编 然，两个环形面之间的距离还与包层的直径有一定关系；包层直径越小，进入包层的光线会很快又回到纤芯，容易侥幸穿过环形面中心孔径；如果包层直径大一点，进入包层的光线则需要较长一段距离才可能再次进入纤芯，则容易被环形面挡住。 设置完毕，更新3图20角），已经超过光纤的数值孔径，所以会有部分光线进入包层。经过两个吸收性的环形面角度的光线基本被挡住了，最后从纤芯输出的光线只有在光纤数值孔径之内的光线了。在纤芯尾端放置一个探测器，分析系统的传输效率，如图20测器上的总功率就是说，右。当然这个耦合效率还没有包含光纤表面的反射损耗，而且输出光斑的分布也不均匀，因为物理光学的因素没有考虑在内。 图20320非序列元件参数设置 者 出品 自学案例汇编 图20光纤耦合320探测器光线分析（纤芯尾端输出） 就此而言，耦合效率还是可以提高的，因为快轴的光束质量很好，可以压缩快轴光线入射角度。假设我们用一个自聚焦透镜，将半导体光源是我们要增加一个自聚焦透镜组件，并重新布置各器件的位置。 在非序列模式中，自聚焦透镜的实体可以是任何形状的物件，这里我们用圆柱体作为实者 出品 自学案例汇编 体，然后在物体特征窗口中的如图20实际条件），其他默认。（注意，如果参数设置不合理，在追迹光线的时候会出错，遇到“示） 图20自聚焦透镜参数设置 图20自聚焦透镜参数设置 然后回到非序列元件编辑窗口，将半导体光源的位置重新编辑，如图20导体光源的位置聚焦透镜的位置更新3耦合部分的光路结构如图20新聚焦之后，根据成像比例，聚焦光斑尺寸会变大，同时耦合光线的入射角也就相对减小了。 者 出品 自学案例汇编 图203图203图20探测器光线分析 者 出品 自学案例汇编 重新追迹探测器光线分析，如图20以看到探测器上的总功率（不包含表面反射损耗），比之前高了许多。当然，这个效率还可以继续提高。 要想进一步提高耦合效率，需要对半导体光源快慢轴进行分别准直，然后再聚焦耦合。 图20非序列元件编辑器列表 如图20置各组件主要参数。快慢轴准直柱面镜可以参考第017章节中所用的快慢轴准直器，元件的位置根据准直效果来调整。准直后的光束再经过自聚焦透镜聚焦耦合进光纤；自聚焦透镜的焦距也需要修改，可以修改特征参数中的可以直接修改自聚焦透镜的长度来修改焦距，焦距的值可以比慢轴准直镜的焦距略长一点。 设置完毕，更新3看聚焦光斑焦平面是否落在光纤的入射端面，是否还有光线进入包层等等。30确认无误后，再次重新追迹探测器光线，如图20时光纤输出端后的探测器上的总功率就说耦合效率几乎已达100%了。剩者 出品 自学案例汇编 下的就只是考虑器件本身的损耗和表面反射损耗等等。 通过前面的一系列描述，已经基本弄清楚了半导体光源及半导体激光耦合光纤传输的仿真方法，举一反三推而广之，就可以在更为复杂的半导体激光光束整形及光纤耦合中应用。 不过，笔者之前也还有一点不太明白的是，这里用两个圆柱体交叠嵌入在一起作为有包层的光纤模型。先可以肯定的是，交叠部分不会同时采用两种材料的特性，只会使用其中一种材料。到底是哪一种与结构方式可能有关系，最好的办法就是根据光线特性来测试，多试一试总不会错的。 图203图203者 出品 自学案例汇编 图203图20探测器光线分析 现在，可以把光纤的模型添加到第017章节中的阵列半导体激光二极管光束整形的系统之中，测试整形系统的光纤耦合效率。整合之后，3体过程就不再赘述，感兴趣的读者请自行尝试。 者 出品 自学案例汇编 图203列半导体光纤耦合） 者 出品