激光二極管的案例
FRED應用：激光二極管光源耦合到光纖的仿真
簡介
本文討論了如何使用FRED對球透鏡封裝的半導體激光二極管耦合到單模光纖進行準確的建模，這是在光纖通信領域很常見的一個光學系統。該模型演示了FRED傳播相干光場的能力、它的精確激光二極管束(Laser Diode Beam)光源模型以及準確的計算光纖耦合效率。
模型
在FRED模型中使用的半導體激光二極管是Mitsubishi(三菱) ML725C8F，這是一個InGaAsP / InP多量子阱(MQW)激光器，工作波長是1310nm。Mitsubishi光源說明書定義了輸出光束的在x和y方向的發散角分別是25和30度（遠場功率分布的全1/e寬度)。沒有提及在x和y焦點位置的任何偏移，所以我們假定它們和光源處的分布是一致的。
我們在FRED中使用激光二極管束光源類型對激光二極管光源建模，以及設置光源產生相干輸出。
圖1. 激光二極管光源編輯
注意到在激光二極管光束光源的設置里面，發散角由功率的1/e2標準定義。這就要求制造商提供的發散角要乘以一個開方因子。
圖2. 球透鏡封裝的激光二極管耦合到光纖系統原理圖（側視圖）
直徑為1.5mm的球透鏡是Mitsubishi激光二極管集成的一部分，它的位置在距離激光二極管發射表面1.88mm處。
在FRED中使用球形元件基元，就可以創建該透鏡。為方便起見，全局坐標原點選在球透鏡的輸出表面與光軸的交點處。
圖3. 全局坐標原點的定義
值得注意的是，我們使用了FRED的N-BK7模型來定義球透鏡的材料，在1310nm波長處折射率大小是1.5036。
模型中使用的單模光纖(SMF)位于距離全局坐標原點1.9mm處，它的結構(由下圖定義)基于單模光纖的典型值。光纖纖心的半徑是5μm，且由直徑為125μm包層包裹著。
展開 激光二極管光源耦合到光纖
簡介
本文討論了如何使用FRED對球透鏡封裝的半導體激光二極管耦合到單模光纖進行準確的建模，這是在光纖通信領域很常見的一個光學系統。該模型演示了FRED傳播相干光場的能力、它的精確激光二極管束(Laser Diode Beam)光源模型以及準確的計算光纖耦合效率。
模型
在FRED模型中使用的半導體激光二極管是Mitsubishi(三菱) ML725C8F，這是一個InGaAsP / InP多量子阱(MQW)激光器，工作波長是1310nm。Mitsubishi光源說明書定義了輸出光束的在x和y方向的發散角分別是25和30度（遠場功率分布的全1/e寬度)。沒有提及在x和y焦點位置的任何偏移，所以我們假定它們和光源處的分布是一致的。
我們在FRED中使用激光二極管束光源類型對激光二極管光源建模，以及設置光源產生相干輸出。
圖1. 激光二極管光源編輯
注意到在激光二極管光束光源的設置里面，發散角由功率的1/e2標準定義。這就要求制造商提供的發散角要乘以一個開方因子。
圖2. 球透鏡封裝的激光二極管耦合到光纖系統原理圖（側視圖）
直徑為1.5mm的球透鏡是Mitsubishi激光二極管集成的一部分，它的位置在距離激光二極管發射表面1.88mm處。
在FRED中使用球形元件基元，就可以創建該透鏡。為方便起見，全局坐標原點選在球透鏡的輸出表面與光軸的交點處。
圖3. 全局坐標原點的定義
值得注意的是，我們使用了FRED的N-BK7模型來定義球透鏡的材料，在1310nm波長處折射率大小是1.5036。
模型中使用的單模光纖(SMF)位于距離全局坐標原點1.9mm處，它的結構(由下圖定義)基于單模光纖的典型值。
展開 激光二極管應用中光束難控？OAS軟件準直鏡仿真來助力
激光二極管準直鏡的三維追跡圖
激光二極管準直鏡的探測器結果圖
總結
本案例通過 OAS 實現了準直鏡系統的快速設計與優化，相比傳統設計流程效率提升，該設計方案可直接應用于激光打標、安防監控等設備的光學系統開發，助力提升終端產品性能。
FRED應用：激光二極管的模擬
簡介
當提及模擬激光二極管時，FRED軟件具有極大的靈活性。在這篇應用筆記中，將會描述簡單到詳細的激光光源模型。最基本的模型是高斯TEM0,0模。更高級的模型包括在束腰上偏移和發散中的像散光束。激光也可以使用其M2因子表示。最后，可以創建一個任意混合模的激光。該模式可以選擇任意TEM模的高斯分布（Hermite, Laguerre, Laguerre Cosine, 及 Laguerre Sine）
例1.高斯00模
“激光光束（高斯00模）”光源由一個準直的光線網格組成，通過切趾，可以具備在束腰處的高斯00輻照度分布。該光源具有非常低的發散角度。注意到如果選擇的網格尺寸小于光束尺寸，光束將會被截斷并會遇到衍射現象，就好像被一個圓孔擋住一樣。
圖 1.簡易激光光束（高斯00模）規格
例2.像散高斯光束
“像散高斯光束”光源提供了一個更加實際的模型。大多數半導體激光遭受像散：束腰的x和y分量沿軸位移。在折射率型波導中的激光器，位移一般是2-8μm。在增益型波導中的激光器中，位移一般約為40μm。通過指定x和y的發散角和焦點的距離，可以模擬像散。該光源類型也允許光線在離束腰某些距離處產生，以獲得更大的精度。
圖 2.簡易像散高斯光束規格
圖 3.發散的像散激光光源的光線追跡示意圖，沿著：x-z軸（左），y-z軸（中）和透視圖（右）。發散角在x方向是5°，在y方向是15°。焦點分開了0.5個單位。
例3.激光二極管光束
激光二極管光束是一種更新和更準確的像散型發散激光源模型。激光用x和y方向發散角和焦點的位置指定。此外，發散角的準確含義可以根據不同的半寬和全寬來說明。這種激光模型也對相干光傳輸更精確的模擬進行了Gabor合成。
展開 
FRED案例展示：激光二極管的模擬
簡介
當提及模擬激光二極管時，FRED軟件具有極大的靈活性。在這篇應用筆記中，將會描述簡單到詳細的激光光源模型。最基本的模型是高斯TEM0,0模。更高級的模型包括在束腰上偏移和發散中的像散光束。激光也可以使用其M2因子表示。最后，可以創建一個任意混合模的激光。該模式可以選擇任意TEM模的高斯分布（Hermite, Laguerre, Laguerre Cosine, 及 Laguerre Sine）
例1.高斯00模
“激光光束（高斯00模）”光源由一個準直的光線網格組成，通過切趾，可以具備在束腰處的高斯00輻照度分布。該光源具有非常低的發散角度。注意到如果選擇的網格尺寸小于光束尺寸，光束將會被截斷并會遇到衍射現象，就好像被一個圓孔擋住一樣。
圖 1.簡易激光光束（高斯00模）規格
例2.像散高斯光束
“像散高斯光束”光源提供了一個更加實際的模型。大多數半導體激光遭受像散：束腰的x和y分量沿軸位移。在折射率型波導中的激光器，位移一般是2-8μm。在增益型波導中的激光器中，位移一般約為40μm。通過指定x和y的發散角和焦點的距離，可以模擬像散。該光源類型也允許光線在離束腰某些距離處產生，以獲得更大的精度。
圖 2.簡易像散高斯光束規格
圖 3.發散的像散激光光源的光線追跡示意圖，沿著：x-z軸（左），y-z軸（中）和透視圖（右）。發散角在x方向是5°，在y方向是15°。焦點分開了0.5個單位。
例3.激光二極管光束
激光二極管光束是一種更新和更準確的像散型發散激光源模型。激光用x和y方向發散角和焦點的位置指定。此外，發散角的準確含義可以根據不同的半寬和全寬來說明。這種激光模型也對相干光傳輸更精確的模擬進行了Gabor合成。
展開 FRED應用：激光二極管的模擬
簡介
當提及模擬激光二極管時，FRED軟件具有極大的靈活性。在這篇應用筆記中，將會描述簡單到詳細的激光光源模型。最基本的模型是高斯TEM0,0模。更高級的模型包括在束腰上偏移和發散中的像散光束。激光也可以使用其M2因子表示。最后，可以創建一個任意混合模的激光。該模式可以選擇任意TEM模的高斯分布（Hermite, Laguerre, Laguerre Cosine, 及 Laguerre Sine）
例1.高斯00模
“激光光束（高斯00模）”光源由一個準直的光線網格組成，通過切趾，可以具備在束腰處的高斯00輻照度分布。該光源具有非常低的發散角度。注意到如果選擇的網格尺寸小于光束尺寸，光束將會被截斷和并會遇到衍射現象，就好像被一個圓孔擋住一樣。
圖1.簡易激光光束（高斯00模）規格
例2.像散高斯光束
“像散高斯光束”光源提供了一個更加實際的模型。大多數半導體激光遭受像散：束腰的x和y分量沿軸位移。在折射率型波導中的激光器，位移一般是2-8μm。在增益型波導中的激光器中，位移一般約為40μm。通過指定x和y的發散角和焦點的距離，可以模擬像散。該光源類型也允許光線在離束腰某些距離處產生，以獲得更大的精度。
圖2.簡易像散高斯光束規格
圖3 發散的像散激光光源的光線追跡示意圖，沿著：x-z軸（左），y-z軸（中）和透視圖（右）。發散角在x方向是5°，在y方向是15°。焦點分開了0.5個單位。
例3.激光二極管光束
激光二極管光束是一種更新和更準確的像散型發散激光源模型。激光用x和y方向發散角和焦點的位置指定。此外，發散角的準確含義可以根據不同的半寬和全寬來說明。
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簡介
當提及模擬激光二極管時，FRED軟件具有極大的靈活性。在這篇應用筆記中，將會描述簡單到詳細的激光光源模型。最基本的模型是高斯TEM0,0模。更高級的模型包括在束腰上偏移和發散中的像散光束。激光也可以使用其M2因子表示。最后，可以創建一個任意混合模的激光。該模式可以選擇任意TEM模的高斯分布（Hermite, Laguerre, Laguerre Cosine, 及 Laguerre Sine）
例1.高斯00模
“激光光束（高斯00模）”光源由一個準直的光線網格組成，通過切趾，可以具備在束腰處的高斯00輻照度分布。該光源具有非常低的發散角度。注意到如果選擇的網格尺寸小于光束尺寸，光束將會被截斷和并會遇到衍射現象，就好像被一個圓孔擋住一樣。
圖1.簡易激光光束（高斯00模）規格
例2.像散高斯光束
“像散高斯光束”光源提供了一個更加實際的模型。大多數半導體激光遭受像散：束腰的x和y分量沿軸位移。在折射率型波導中的激光器，位移一般是2-8μm。在增益型波導中的激光器中，位移一般約為40μm。通過指定x和y的發散角和焦點的距離，可以模擬像散。該光源類型也允許光線在離束腰某些距離處產生，以獲得更大的精度。
圖2.簡易像散高斯光束規格
圖3 發散的像散激光光源的光線追跡示意圖，沿著：x-z軸（左），y-z軸（中）和透視圖（右）。發散角在x方向是5°，在y方向是15°。焦點分開了0.5個單位。
例3.激光二極管光束
激光二極管光束是一種更新和更準確的像散型發散激光源模型。激光用x和y方向發散角和焦點的位置指定。此外，發散角的準確含義可以根據不同的半寬和全寬來說明。
展開 FRED應用：激光二極管的模擬
簡介
當提及模擬激光二極管時，FRED軟件具有極大的靈活性。在這篇應用筆記中，將會描述簡單到詳細的激光光源模型。最基本的模型是高斯TEM0,0模。更高級的模型包括在束腰上偏移和發散中的像散光束。激光也可以使用其M2因子表示。最后，可以創建一個任意混合模的激光。該模式可以選擇任意TEM模的高斯分布（Hermite, Laguerre, Laguerre Cosine, 及 Laguerre Sine）
例1.高斯00模
“激光光束（高斯00模）”光源由一個準直的光線網格組成，通過切趾，可以具備在束腰處的高斯00輻照度分布。該光源具有非常低的發散角度。注意到如果選擇的網格尺寸小于光束尺寸，光束將會被截斷和并會遇到衍射現象，就好像被一個圓孔擋住一樣。
圖1.簡易激光光束（高斯00模）規格
例2.像散高斯光束
“像散高斯光束”光源提供了一個更加實際的模型。大多數半導體激光遭受像散：束腰的x和y分量沿軸位移。在折射率型波導中的激光器，位移一般是2-8μm。在增益型波導中的激光器中，位移一般約為40μm。通過指定x和y的發散角和焦點的距離，可以模擬像散。該光源類型也允許光線在離束腰某些距離處產生，以獲得更大的精度。
圖2.簡易像散高斯光束規格
圖3 發散的像散激光光源的光線追跡示意圖，沿著：x-z軸（左），y-z軸（中）和透視圖（右）。發散角在x方向是5°，在y方向是15°。焦點分開了0.5個單位。
例3.激光二極管光束
激光二極管光束是一種更新和更準確的像散型發散激光源模型。激光用x和y方向發散角和焦點的位置指定。此外，發散角的準確含義可以根據不同的半寬和全寬來說明。這種激光模型也對相干光傳輸更精確的模擬進行了Gabor合成。
展開 SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十六：一個激光二極管光束整形器
這是一個激光二極管，我們假設強度分布是高斯的。讓我們檢查一下光通量。在命令窗口輸入 FLUX 20 P 6
光通量的下降完全符合我們的預期。現在我們需要解決照度均勻的問題。
但是我們在第13課中解決過這個問題，所以我們讓學習者自己去操作完成后面的練習。
我們這節課的宏如下所示。
SYNOPSYS 光學設計 第46課： 一個激光二極管光束轉換器
第46課：一個激光二極管光束轉換器
這節課將展示如何設計從一個激光二極管到一個圓形準直光束的光學轉換器。我們從一個典型的激光二極管的規格開始，它在X方向和y方向上有不同的發散角，設計任務比較復雜。以下是我們的設計規格:
Y方向的光束發散度: 8.5度
X方向的光束發散度: 19 度
波長為0.403 um
我們將使用OBG命令，它需要高斯腰半徑作為參數。首先我們要把發散角轉換成半徑值。
在用戶手冊的3.1.2節中，我們了解到該程序利用公式將光束半徑轉換為發散角
DIV = W(p) M2 / π WAIST No
WAIST = W A V (p) M2 / π DIV No
從這里我們得到了y方向的GWR = 0.0008644和x方向的GWR =0.0003868。現在我們創建RLE文件。
展開 激光道路照明系統概念設計（附視頻）
相比于發光二極管（ Light Emitting Diode），
激光二激管（Laser Diode）以其更高的芯片功率密度（10～20倍）和超強的空間亮度（10000倍），
很有可能取代發光二極管，
成為下一代高效節能光源的首選。
D-Light是丹麥能源署資助的一個實驗性項目，旨在利用激光二極管光源實現常規型式的道路照明。
在其概念方案一中，激光二極管光源放置在燈桿的底部，藍色激光束在桿體內傳導進入燈具，通過熒光材料激發全光譜白光，最后利用燈具反射器進行配光，從而實現有效照明。
概念方案二將激光二極管直接設置在燈具內部，從而進一步提升了系統的光學效率，但硬件成本也可能因此而增加。
不久的將來，隨著激光二極管技術的日漸成熟與制造成本的持續下降，除道路照明外，激光在其他照明應用中的大規模商業化應該也非常值得期待。
-END-
? 信息來源：GLS 公眾號
展開 
利用物鏡對二極管激光器光束進行準直
系統說明
? 光源
— 發散的紅外激光二極管
? 組件
— 通過折射透鏡系統對發散的二極管激光光源進行準直
? 探測器
? 建模/設計
— 光線追跡：掌握系統性能并進行波前差計算
— 場追跡：激光剪切對光束質量的影響
2. 系統說明
3. 建模&設計結果
4. 總結
對于一個具有發散角的而激光激光器準直系統的性能研究，可通過：
第一步 光線追跡評價以計算波前差
第二步 場追跡評價來檢查光束剪切產生的衍射效應以及對光束質量產生的影響
應用示例詳細內容
系統參數
1. 應用實例的內容
? BDS.0001，BDS.0002以及BDS.0003主要是關于一個折射型光束傳輸系統。
? 在該示例中分析了一個準直透鏡系統。尤其對準直光學系統在孔徑處的光束切趾的影響進行了研究
? BDS.0002和BDS.0003 探究的是光的聚焦。
2. 參數：非準直入射激光束
3. 參數：準直物鏡概述
應用示例詳細內容
仿真&結果
1. 光線追擊仿真起始點
2. 光線追跡：激光束仿真
3. 利用光線追跡進行第一次系統評估
4. 光線追跡：2D方向點列圖
? VirtualLab可以為點列圖提供不同的顯示選項。
? 如，具有確定矢量方向光線的相鄰的X和Y分量(Sx,Sy)。
? 小尺寸比例說明Sz分量近似于1，因此所有光線準直性非常好。
5. 光線追跡：波前差檢測
? 專用的波前誤差檢測器可以讓你看到正比于為相差的所具有的光程差。
? 此外，探測器輸出的波前差RMS值為：～0.03λ
? 這也證明了準直的成功性。
6. 場追跡：激光束仿真
7.
展開 VirtualLab運用：利用物鏡對激光二極管像散光束準直特性的分析
激光系統 > 光束傳輸
任務/系統說明
亮點
?包含像散的激光二極管建模；
?多種選項評估光束準直性→像散的影響；
?透鏡孔徑截斷的光束質量分析；
具體參數：光源
具體參數：準直鏡
具體參數：探測器
結果：3D光線追跡
結果：無像散的波像差
結果：有像散的波像差
結果：無像散的光線方向
結果：有像散的光線方向
結果：無像散場評價
結果：有像散場評價
文件&技術信息
VirtualLab運用：利用物鏡對激光二極管像散光束準直特性的分析
激光系統 > 光束傳輸
任務/系統說明
亮點
?包含像散的激光二極管建模；
?多種選項評估光束準直性→像散的影響；
?透鏡孔徑截斷的光束質量分析；
具體參數：光源
具體參數：準直鏡
具體參數：探測器
結果：3D光線追跡
結果：無像散的波像差
結果：有像散的波像差
結果：無像散的光線方向
結果：有像散的光線方向
結果：無像散場評價
結果：有像散場評價
文件&技術信息
基于zemax的激光合束過程分析
大多數高端激光二極管使用兩個交叉的柱面方形微透鏡來補償激光二極管快軸和慢軸的發散角之間的差異。第一透鏡，稱為快軸準直FAC透鏡，必須具有較大的數值孔徑，由于發散角的緣故，典型焦距約為500μm，由于發散孔徑的尺寸小，發散角通常約為25度。取決于單模或多模二極管的使用，慢軸的發散角比其快軸低3至5倍。因此，要使光束圓化，慢軸準直SAC透鏡必須具有比FAC透鏡更長的焦距。根據二極管子底座的尺寸，這些元件可以輕松占據平臺可用空間的三分之一，這進一步說明了使用方形微光學元件而非圓形光學元件的重要性。光束經過準直后，需要使用第三塊方形透鏡（通常是非球面透鏡）將光耦合到光纖中。就像在準直步驟中監控光束輪廓和發散角一樣，光纖耦合過程也會受到主動監控，以確保最大輸出功率。對于某些單模光纖耦合激光器，也可以觀察到偏振消光比。對于使用低功率激光器的價格敏感的激光二極管系統，通常使用單個球面或非球面透鏡，而不是一對柱面FAC和SAC透鏡。
(1)柱面透鏡的選擇和光路的安裝應遵循以下規則：
θ_1/θ_2=f_1/f_2
(2)激光二極管可以近似為一個點光源，得到準直輸出，兩個圓柱體與光源的間距等于兩者的焦距
(3)兩柱面主平面間距應等于f2-f1焦距之差，兩透鏡實際間距等于BFL2-BFL1。與球面透鏡一樣，柱面鏡的凸面應朝向準直射光束，以盡可能減少。
d_1=2f_1 (tan?( θ_2∕2))
d_2=2f_2 (tan?( θ_1∕2))
由于激光二極管輸出光束發散較快，我們需要仔細確認每個圓柱上的光斑尺寸不超過鏡頭的有效光孔徑。
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