激光發射系統的案例
基于Zemax的高能激光發射系統的擴束系統設計
關鍵詞：高功率激光發射系統；擴束系統
1 引言
高功率激光發射系統是強激光空間傳輸系統中不可缺少的裝置。對高功率激光發射系統的研究一直是激光應用領域的關鍵技術問題。高功率激光發射系統通常由準直系統、導光光路系統和擴束系統組成,光學系統要求具有高抗激光損傷閾值、高反射率、熱變形小等特點。這里我們主要討論擴束系統的設計。
2 設計要求
項目
指標要求
發散角
<3mrad
擴束前光束寬度
45mm*45mm
擴束比
2
系統波像差
λ/4
波長
10.6um
兩鏡間距
200mm左右
3 設計方案選擇
由于激光波長較長，出射光束直徑較大，大口徑透鏡材料價格昂貴，反射系統便于冷卻，同時為了避免中心遮攔對激光能量的損失,提高系統的發射能量，故高功率激光擴束系統選擇離軸無焦卡塞格林系統進行擴束。所設計的離軸卡塞格林擴束系統,其擴束倍率為2倍,主鏡離軸量265mm,次鏡離軸量132.5mm,主鏡為凹拋物面,次鏡為凸拋物面。
4設計步驟
根據主次鏡間距和擴束比計算主次鏡的曲率半徑，主次鏡曲率半徑分別為800mm和400mm。
展開 報名 | “聚焦激光”——采用Ansys Lumerical進行邊緣發射半導體激光器仿真
在本次網絡研討會中，將展示如何使用Ansys Lumerical的INTERCONNECT工具中行波激光模型（TWLM）來仿真Fabry-Perot、DFB、DBR等邊射型激光器以及半導體光放大器 （SOA），還會說明增益、電荷傳輸、光傳播等參數如何使用物理仿真來模擬，并將之導入光路上的緊湊模型來描述整個激光器件。研討會將重點介紹Ansys Lumerical仿真激光用的TWLM以及MQW工具，并示范如何使用Ansys Lumerical的FDE/MODE與MQW來計算光的傳播與增益特性，介紹如何將物理仿真或實驗量測的結果導入TWLM來表征包含量子井增益的波導，并進行增益與激光器設計。無論您是從事電路集成的系統設計人員還是從事分立元件的激光器設計人員，本次研討會都將幫助您學習如何進行激光器的設計。歡迎報名！
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在本次網絡研討會中，將展示如何使用Ansys Lumerical的INTERCONNECT工具中行波激光模型（TWLM）來仿真Fabry-Perot、DFB、DBR等邊射型激光器以及半導體光放大器 （SOA），還會說明增益、電荷傳輸、光傳播等參數如何使用物理仿真來模擬，并將之導入光路上的緊湊模型來描述整個激光器件。研討會將重點介紹Ansys Lumerical仿真激光用的TWLM以及MQW工具，并示范如何使用Ansys Lumerical的FDE/MODE與MQW來計算光的傳播與增益特性，介紹如何將物理仿真或實驗量測的結果導入TWLM來表征包含量子井增益的波導，并進行增益與激光器設計。無論您是從事電路集成的系統設計人員還是從事分立元件的激光器設計人員，本次研討會都將幫助您學習如何進行激光器的設計。歡迎報名！
展開 【Ansys線上直播回看】“聚焦激光”——采用Ansys Lumerical進行邊緣發射半導體激光器
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本次網絡研討會中展示如何使用Ansys Lumerical的INTERCONNECT工具中行波激光模型（TWLM）來仿真Fabry-Perot、DFB、DBR等邊射型激光器以及半導體光放大器 （SOA），還會說明增益、電荷傳輸、光傳播等參數如何使用物理仿真來模擬，并將之導入光路上的緊湊模型來描述整個激光器件。重點介紹Ansys Lumerical仿真激光用的TWLM以及MQW工具，并示范如何使用Ansys Lumerical的FDE/MODE與MQW來計算光的傳播與增益特性。
此次網絡直播吸引了眾多觀眾在線觀看，在會后我們也陸續收到在線觀眾以及其他用戶前來詢問，在此附上本場網絡直播錄播內容，供大家回看學習。
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展開 
RP系列 | 激光將在哪個波長發射？
闡述了在寬帶增益介質中，是什么物理因素決定了激光的發射波長，以及如何利用數值模型最有效地計算出激光的發射波長。
雖然在某些情況下，激光發射的波長是很明顯的，但在其他情況下，具有較大增益帶寬或多條發射線的激光可能會發射不同的波長，這取決于具體情況。在此，將討論兩個問題:是什么因素在物理上確切地決定了激光波長，以及我們如何在數值模型中找到它?我們把討論限制在連續波激光器;例如，對于q開關激光器，有些方面是不同的。
物理學
有時人們會說，激光器會在增益介質中產生最大增益的地方發出激光。這是不可能的，因為諧振器的損耗基本上與波長有關。因此，標準應該基于凈增益，即增益減去損耗(均以分貝衡量)。
這還不是全部的事實。對于準三能級增益介質(光纖激光器的正常情況)，增益譜的形狀取決于激發能級。那么對于什么激勵水平，我們應該怎樣計算增益?
理解這一問題的一個好方法是想象泵浦的功率在激光開始之前是緩慢增加的。當某些波長的凈增益超過0分貝時，就會發生這種情況。然后，激光波會遲早飽和增益，使凈增益完全保持在0分貝，否則，激光功率將繼續無限制地增長。這意味著激光激活離子的激發將在激光閾值處被“箝位”到其值，并且增益的光譜形狀不再改變，即使對于準三能級增益介質。
在某些情況下，這些都過于
簡單。例如，我們可能會有不均勻的增益飽和
:
其他波長的增益仍然會隨著更強的泵浦而上升，因此激光也可能從那里開始。這會導致寬帶發射或在不同的激光線上同時發射。順便說一下，這種情況很難模擬，因為我們需要考慮不同種類的離子
;
主要的困難是獲取所有的光譜數據。空間燒孔也可能導致一定程度的不均勻飽和。至少這不涉及關鍵數據，所以可以用一些專門的模型來處理它。然而，在這里，我們將自己限制在具有其次增益飽和的簡單情況。
展開 JCMSuite應用—垂直腔面發射激光器（VCSEL）
垂直腔面發射激光器 （VCSEL） 是一種特定的微型化半導體激光二極管。諧振腔通常由布拉格反射鏡（分布式布拉格反射器DBR）構成，激光束發射垂直于頂部的表面。本教程案例展示了如何設置復雜的 VCSEL 幾何形狀，以及如何用其特有的 3D 模式輪廓、共振波長和質量因子（Q 因子）高效的計算腔膜。該設置緊跟文獻中的案例（比恩斯特曼等人2001年發表的文章）。其結構形狀是旋轉對稱的，因此您可以在圓柱坐標系統中使用共振模式求解器來計算共振。
幾何體（由一個二維平面幾何形狀圍繞 y 軸旋轉以產生三維器件幾何結構）和各種網格生成參數在文件layout.jcm中定義。在此特定情況下，所有層（DBR、激發層、光圈層、腔層）都在絕對坐標中定義為多邊形，精度低于納米量級。
設置網格選項，以便獲得相對較大的且不太精細離散化的計算域。（在這種情況下，最薄的層只有 的厚度，而設備的直徑是約 。在這種條件下，各向異性網格設置可以顯著降低計算工作量。
微小特征尺寸（Tiny Feature Size）選項實際上關閉了在所有層中比Tiny Feature Size=100單位長度小的網格劃分。最小網格角度（Minimum Mesh Angle）選項可以設置銳角三角形。刪除內約束選項（Remove Inner Constraints）可以引入亞網格，在垂直方向上通過放置幾個相同材料構成的薄層靠近彼此來實現(在本案例中是在中央空腔區域完成的)。
下圖展示了上面所描繪的幾何形狀（左邊上圖DBR 是25組四分之一波層對，下面DBR 是30組四分之一波層對）和部分三角網格劃分（右圖，放大后是非常薄的激發層，可以看到具有尖銳三角形的各向異性網格）。
展開 垂直腔面發射激光器 (VCSEL) 二極管陣列的建模
摘要
垂直腔面發射激光器(VCSEL)二極管陣列在許多領域都有廣泛的應用，如分束器和圖案的生成。為了能夠研究包含該光源的光學系統，需要一個合適的光源模型。本文檔展示了如何在VirtualLab Fusion中建模VCSEL陣列源。
建模任務：VCSEL模式陣列建模
光源建模 – 單個VCSEL
利用參數耦合在網格上定位VCSEL
結果
5×5 VCSEL 陣列的強度分布
VirtualLab Fusion中的工作流程
文件信息
延伸閱讀
- 用兩個不相關的拉蓋爾模對VCSEL光源進行建模
- 使用VirtualLab Fusion仿真多光源
展開 JCMsuite案例展示：垂直腔面發射激光器（VSCEL）的建模分析
垂直腔面發射激光器 （VCSEL） 是一種特定的微型化半導體激光二極管。諧振腔通常由布拉格反射鏡（分布式布拉格反射器DBR）構成，激光束發射垂直于頂部的表面。本教程案例展示了如何設置復雜的 VCSEL 幾何形狀，以及如何用其特有的 3D 模式輪廓、共振波長和質量因子（Q 因子）高效的計算腔膜。該設置緊跟文獻中的案例（比恩斯特曼等人2001年發表的文章）。其結構形狀是旋轉對稱的，因此您可以在圓柱坐標系統中使用共振模式求解器來計算共振。
幾何體（由一個二維平面幾何形狀圍繞 y 軸旋轉以產生三維器件幾何結構）和各種網格生成參數在文件layout.jcm中定義。在此特定情況下，所有層（DBR、激發層、光圈層、腔層）都在絕對坐標中定義為多邊形，精度低于納米量級。
設置網格選項，以便獲得相對較大的且不太精細離散化的計算域。（在這種情況下，最薄的層只有5nm的厚度，而設備的直徑是約10um。在這種條件下，各向異性網格設置可以顯著降低計算工作量。
下圖展示了上面所描繪的幾何形狀（左邊上圖DBR 是25組四分之一波層對，下面DBR 是30組四分之一波層對）和部分三角網格劃分（右圖，放大后是非常薄的激發層，可以看到具有尖銳三角形的各向異性網格）。
對于旋轉對稱坐標系中基本模式的計算將參數進行如下定義：Field Components = Electric RYPhi and Bloch Vector = [0, 0, 1]。（參考計算三維圓柱形幾何結的參數定義）。
數值選項設置為相對較高的精度。模態求解器的估計值設為接近共振頻率的值(良好的起始值是有益的，因為結構支持大量的模態，模態之間的距離很近。
展開 VirtualLab：垂直腔面發射激光器 (VCSEL) 二極管陣列的建模
摘要
垂直腔面發射激光器(VCSEL)二極管陣列在許多領域都有廣泛的應用，如分束器和圖案的生成。為了能夠研究包含該光源的光學系統，需要一個合適的光源模型。本文檔展示了如何在VirtualLab Fusion中建模VCSEL陣列源。
建模任務：VCSEL模式陣列建模
光源建模 – 單個VCSEL
利用參數耦合在網格上定位VCSEL
結果
5×5 VCSEL 陣列的強度分布
VirtualLab Fusion中的工作流程
文件信息
延伸閱讀
-用兩個不相關的拉蓋爾模對VCSEL光源進行建模
-使用VirtualLab Fusion仿真多光源
垂直腔面發射激光器 (VCSEL) 二極管陣列的建模
摘要
垂直腔面發射激光器(VCSEL)二極管陣列在許多領域都有廣泛的應用，如分束器和圖案的生成。為了能夠研究包含該光源的光學系統，需要一個合適的光源模型。本文檔展示了如何在VirtualLab Fusion中建模VCSEL陣列源。
建模任務：VCSEL模式陣列建模
光源建模 – 單個VCSEL
利用參數耦合在網格上定位VCSEL
結果
5×5 VCSEL 陣列的強度分布
VirtualLab Fusion中的工作流程
文件信息
VirtualLab：垂直腔面發射激光器 (VCSEL) 二極管陣列的建模
摘要
垂直腔面發射激光器(VCSEL)二極管陣列在許多領域都有廣泛的應用，如分束器和圖案的生成。為了能夠研究包含該光源的光學系統，需要一個合適的光源模型。本文檔展示了如何在VirtualLab Fusion中建模VCSEL陣列源。
建模任務：VCSEL模式陣列建模
光源建模 – 單個VCSEL
利用參數耦合在網格上定位VCSEL
結果
5×5 VCSEL 陣列的強度分布
VirtualLab Fusion中的工作流程
文件信息
延伸閱讀
-用兩個不相關的拉蓋爾模對VCSEL光源進行建模
-使用VirtualLab Fusion仿真多光源
垂直腔面發射激光器 (VCSEL) 二極管陣列的建模
摘要
垂直腔面發射激光器(VCSEL)二極管陣列在許多領域都有廣泛的應用，如分束器和圖案的生成。為了能夠研究包含該光源的光學系統，需要一個合適的光源模型。本文檔展示了如何在VirtualLab Fusion中建模VCSEL陣列源。
建模任務：VCSEL模式陣列建模
光源建模 – 單個VCSEL
利用參數耦合在網格上定位VCSEL
結果
5×5 VCSEL 陣列的強度分布
VirtualLab Fusion中的工作流程
文件信息
發射激光武器操控無人機群
定向能武器
▲激光武器
成群結隊的無人機、導彈，甚至是過時的噴氣式戰斗機，都有可能使得先進的隱形飛機的進攻和防御能力過度飽和。引入定向能武器，例如激光武器和微波武器，即可實現快速、精準的發射，并在具有足夠電力的情況下擁有無限的彈夾容量。它們可以被用來破壞敵方傳感器和搜尋裝置、摧毀空對空導彈以及摧毀飛機和地面目標。
嚴格意義上講，第六代戰斗機在當前仍處于概念階段，尤其是第五代戰斗機的研制已經耗費了大量的資金和精力。激光武器、協同作戰和無人駕駛等許多技術已經在開發階段，但將它們集成到單一機身中，面臨的挑戰相當之大。第六代戰斗機最早可能會在本世紀30年代或40年代出現，而到那個時候，空戰的概念可能會再度進化！
展開 Lumerical案例 | 垂直腔面發射激光器(VCSEL)結構導入、反射率和冷腔模擬
垂直腔面發射激光器（VCSEL）是一種二極管激光器，其發射的近高斯光束垂直于芯片頂面。與傳統的邊緣發射激光器（光發射于芯片的一兩個邊緣）相比，VCSEL在制造和性能方面具有諸多優勢。
在本例中，我們將介紹如何構建VCSEL結構，并模擬和分析反射率、模式和頻率。本例在Ansys Lumerical Multiphysics軟件（2025 R1.1及更高版本）上運行，并且需要Ansys Lumerical Enterprise許可證。
概述
步驟1：自動構建結構并從層表(.csv)設置模擬對象
.csv文件中的數據可用于自動設置所有VCSEL層，包括DBR鏡和MQW層。但是，接觸層和孔徑氧化層需要使用腳本或圖形用戶界面單獨添加。
步驟2：冷腔模擬
啟用“計算冷腔光譜”選項后，可以模擬VCSEL的光學特性。首先，可以模擬腔體反射率，以快速估算腔體諧振頻率。此外，通過腔體本征模模擬，可以計算支持的模式形狀和頻率。此外，還可以進行腔體偶極子模擬，以確定不同有源層光源極化條件下支持的頻率和光束輪廓。
運行和結果
步驟1：自動構建結構并從層表(.csv)設置模擬對象
1.打開一個新的VCSEL項目并將工作目錄設置為包含所有示例文件的文件夾。
2.打開并運行main.lsf腳本文件，仿真文件將被創建。VCSEL和CHARGE求解器以及仿真區域均已添加。
3.打開并運行set_additional_structure.lsf。該腳本將添加頂部接觸和孔徑氧化物。
注意：VCSEL結構數據文件必須保存為csv格式。
該腳本將自動設置幾何形狀，并根據材料的成分添加光學屬性。使用III-V族半導體光學材料數據工具-Ansys Optics添加光學屬性（更多詳情請參考文末相關鏈接）。
展開 以色列新型激光導彈防御系統測試成功！可低成本攔截導彈、無人機
2009年，以色列拉斐爾先進防務系統有限公司以光纖激光技術為基礎研發新的反炮兵彈藥激光武器系統，并在2014年新加坡航展上推出“鐵束”激光武器樣機。這種高能激光武器系統采用2千瓦級光纖激光器，最大有效射程7公里，安裝在兩輛車上進行發射。
“鐵束”激光武器系統的出現，有效解決了“鐵穹”系統面臨的兩大難題，一是成本效率低，二是無力應對密集攻擊。“鐵穹”導彈系統每實施一次攔截，成本大約在10萬至15萬美元；而“鐵束”激光武器系統每發射一次，成本僅需2000美元，一舉解決上述兩大問題。
“鐵束”是一種光纖激光系統，可以摧毀任何空中物體。另外，以色列表示，其“鐵穹”(Iron Dome)防御系統取得了巨大成功，對來襲火箭彈的攔截率達到90%。但官員們表示，該系統的部署成本很高——在加沙向以色列發射一枚火箭只要幾百美元，但要想被“鐵穹”攔截需要數萬美元。
當下，激光已經成為以色列防防空的一大利器。“由于其易于操作的系統和顯著的經濟優勢，激光是游戲規則的改變者。”國防部國防研究與發展理事會的Yaniv Rotem表示，“我們的計劃是在未來十年沿以色列邊境部署多個激光發射器。”
兩項技術實現激光能量累積增強
傳統的大多數激光武器試驗系統都采用一個大激光器發出激光，而“鐵束”激光武器系統采用光束三級疊合方式，實現激光能量的累積增強。即先由多個微小激光器合成疊陣，再將多個疊陣發出的多道光束進行合束，最后將激光束在目標瞄準點上疊加。其間，主要有兩大關鍵技術。
關鍵技術之一：將諸多微小激光器合成為“疊陣”
微小激光器分兩種：光纖激光器或激光腔以及單管半導體激光器。
經過3個步驟進行合成：
第一步，把諸多小光纖激光器并列集成為線陣，形成“巴條”；
第二步，把諸多巴條在橫向上集成為“面陣”；
第三步，把諸多面陣在縱向上集成為“疊陣”。
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