[發明專利]一種半導體激光器的新型理想非球面準直系統

在審

• 申請號: 201610040840.X
• 申請日: 2016-01-21
• 公開（公告）號: CN105607276A
• 公開（公告）日: 2016-05-25
• 發明（設計）人: 楊華軍;江萍;楊東航
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G02B27/30
• 分類號: G02B27/30;G02B27/09
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于光通信技術領域，具體為一種半導體激光器出射光束的新型理想非球面 準直光學系統，產生高精度準直激光束。

背景技術

隨著科學技術的發展，人們對通信容量的需求越來越高。光通信具有微小的光束發 散角和高的方向性(因而具有較高的軍事保密性)、速率高、傳輸容量大(比微波通信高 3～5個數量級)、重量輕等優點，已逐漸成為國際化的研究熱點。光學天線作為光通信技術 領域的關鍵性發射部件存在高精度準直與整形兩個關鍵技術問題。因此高精度預準直與整形 技術是確保實現遠距離空間激光通信的關鍵技術，也是提高捕獲、對準與跟蹤(APT)精度 的重要保證。

半導體激光器是光通信系統普遍使用的激光源，其有源區類似于一個矩形平面介質 波導，在傳播時容易發散，其出射光束橫截面具有橢圓形狀，如圖1(a)所示。半導體激光器 在垂直于結平面(即子午平面)的典型發散角(半角)一般在0～30度范圍內變化，平行于結平面 (弧矢平面)方向上的發散角在0～10度范圍內變化。發散角越小，方向性越好。另外，半導 體激光器在子午平面內的發光源與弧矢平面內的發光源并不重合，在光軸方向存在一定的距 離(Δl)，稱為象散。非對稱發散角特性和象散的存在勢必對半導體激光器出射光束的質量 與光學系統的傳輸效率產生影響。為了使半導體激光器輸出的高斯光束能夠高質量、高效率 地傳輸進入光學天線，需要對半導體激光器的輸出光束進行準直與整形，壓縮光束發散角以 改善遠場對稱性和光斑形狀，減小象散對光束質量的影響，提高光通信系統中發射天線的發 射精度。因此對半導體激光器出射光束進行高精度準直與整形對于遠距離激光通信系統具有 重要的意義。

2000年牛津大學在“Nature”雜志上報到了用三維全息法制作可見光的光子晶體，其 自準直特性可以突破光的衍射極限。2012年，中科院半導體所鄭婉華研究組在傳統半導體 激光器諧振腔結構中引入光子晶體，調控激光振蕩模式，從芯片層次改善激光的輸出光束質 量，首次在國際上研制出905nm波段的高光束質量光子晶體激光器，激光輸出遠場呈近圓 斑分布，垂直(快軸)發散角6.5°，水平(慢軸)發散角7.1°。2013年，濟南大學的師生在 “OpticsLetter”上發表了在光纖端面制作雙軸雙曲面微透鏡將半導體激光器的快、慢軸發 散角分別壓縮至6.9°和32.3mrad，耦合至光纖中，耦合效率提高至80％。上述半導體激光 器預準直方法所采用的光學系統，任不能從根本上改變半導體激光器非對稱發散角特性與象 散對光傳輸的影響，從而一定程度限制了光學天線的發射精度和傳輸效率。

發明內容

本發明針對現有技術存在的不足，提出一種產生高精度準直的激光束的新方法，利 用理想非球面準直平凸透鏡將半導體出射的非對稱發散角激光束準直為高精度準直激光束， 再利用三棱鏡組對橢圓截面準直光束進行整形，實現半導體激光束到光學天線的高效耦合。 準直發散角接近衍射極限的激光傳輸，有效確保遠距離空間光通信的實現。

本發明采用的技術方案可分如下兩方面概括：一方面，理想非球面準直平凸透鏡對 半導體激光器出射的非對稱發散角高斯光束的高精度準直；另一方面，三棱鏡組將光束進一 步整形為圓形截面高斯光束。該系統應用于光通信系統中的卡塞格倫天線，可有效提高光通 信系統中發射天線的發射精度和傳輸效率。

本發明中的理想非球面準直平凸透鏡，位于其左方焦點處的點光源所發出的光經過 該透鏡后，出射光束與光軸之間的發散角接近于零度，為高精度準直的平行光束，該平行光 束理論上可突破衍射極限。

本發明中的理想非球面準直平凸透鏡，偏離其左方焦點一定距離處的點光源(象散 光源)所發出的光經過該透鏡后，出射光束與光軸之間的發散角優于相同參數(焦距、中心 厚度、折射率)情況下的旋轉雙曲面平凸透鏡的準直發散角。因此本發明中的理想非球面準 直平凸透鏡對具有一定象散的半導體激光器出射光束具有較好的準直效果。

本發明中的三棱鏡組對經理想非球面準直平凸透鏡準直后的橢圓截面的平行光束的 短軸進行擴束或對長軸進行壓縮，通過改變三棱鏡的頂角對光束的壓縮(或放大)倍數進行控 制，即可實現各種需要的壓縮倍數，從而實現橢圓截面的準直光束整形為圓形截面的準直光 束。