一种半导体激光器的新型理想非球面准直系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光通信技术领域，具体为一种半导体激光器出射光束的新型理想非球 面准直光学系统，产生高精度准直激光束。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的发展，人们对通信容量的需求越来越高。光通信具有微小的光束 发散角和高的方向性（因而具有较高的军事保密性）、速率高、传输容量大（比微波通信高3 ~5个数量级）、重量轻等优点，已逐渐成为国际化的研究热点。光学天线作为光通信技术领 域的关键性发射部件存在高精度准直与整形两个关键技术问题。因此高精度预准直与整形 技术是确保实现远距离空间激光通信的关键技术，也是提高捕获、对准与跟踪(APT)精度的 重要保证。
[0003] 半导体激光器是光通信系统普遍使用的激光源，其有源区类似于一个矩形平面介 质波导，在传播时容易发散，其出射光束横截面具有椭圆形状，如图1(a)所示。半导体激光 器在垂直于结平面（即子午平面）的典型发散角(半角）一般在0~30度范围内变化，平行于 结平面(弧矢平面)方向上的发散角在0~10度范围内变化。发散角越小，方向性越好。另外， 半导体激光器在子午平面内的发光源与弧矢平面内的发光源并不重合，在光轴方向存在一 定的距离（A 1)，称为象散。非对称发散角特性和象散的存在势必对半导体激光器出射光束 的质量与光学系统的传输效率产生影响。为了使半导体激光器输出的高斯光束能够高质 量、高效率地传输进入光学天线，需要对半导体激光器的输出光束进行准直与整形，压缩光 束发散角以改善远场对称性和光斑形状，减小象散对光束质量的影响，提高光通信系统中 发射天线的发射精度。因此对半导体激光器出射光束进行高精度准直与整形对于远距离激 光通信系统具有重要的意义。
[0004] 2000年牛津大学在"Nature"杂志上报到了用三维全息法制作可见光的光子晶体， 其自准直特性可以突破光的衍射极限。2012年，中科院半导体所郑婉华研究组在传统半导 体激光器谐振腔结构中引入光子晶体，调控激光振荡模式，从芯片层次改善激光的输出光 束质量，首次在国际上研制出905nm波段的高光束质量光子晶体激光器，激光输出远场呈近 圆斑分布，垂直（快轴）发散角6.5°，水平(慢轴）发散角7.1°。2013年，济南大学的师生在 "Optics Letter"上发表了在光纤端面制作双轴双曲面微透镜将半导体激光器的快、慢轴 发散角分别压缩至6.9°和32.3mrad，耦合至光纤中，耦合效率提高至80 %。上述半导体激光 器预准直方法所采用的光学系统，任不能从根本上改变半导体激光器非对称发散角特性与 象散对光传输的影响，从而一定程度限制了光学天线的发射精度和传输效率。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有技术存在的不足，提出一种产生高精度准直的激光束的新方法， 利用理想非球面准直平凸透镜将半导体出射的非对称发散角激光束准直为高精度准直激 光束，再利用三棱镜组对椭圆截面准直光束进行整形，实现半导体激光束到光学天线的高 效耦合。准直发散角接近衍射极限的激光传输，有效确保远距离空间光通信的实现。
[0006] 本发明采用的技术方案可分如下两方面概括:一方面，理想非球面准直平凸透镜 对半导体激光器出射的非对称发散角高斯光束的高精度准直;另一方面，三棱镜组将光束 进一步整形为圆形截面高斯光束。该系统应用于光通信系统中的卡塞格伦天线，可有效提 高光通信系统中发射天线的发射精度和传输效率。
[0007] 本发明中的理想非球面准直平凸透镜，位于其左方焦点处的点光源所发出的光经 过该透镜后，出射光束与光轴之间的发散角接近于零度，为高精度准直的平行光束，该平行 光束理论上可突破衍射极限。
[0008] 本发明中的理想非球面准直平凸透镜，偏离其左方焦点一定距离处的点光源（象 散光源)所发出的光经过该透镜后，出射光束与光轴之间的发散角优于相同参数(焦距、中 心厚度、折射率)情况下的旋转双曲面平凸透镜的准直发散角。因此本发明中的理想非球面 准直平凸透镜对具有一定象散的半导体激光器出射光束具有较好的准直效果。
[0009] 本发明中的三棱镜组对经理想非球面准直平凸透镜准直后的椭圆截面的平行光 束的短轴进行扩束或对长轴进行压缩，通过改变三棱镜的顶角对光束的压缩(或放大)倍数 进行控制，即可实现各种需要的压缩倍数，从而实现椭圆截面的准直光束整形为圆形截面 的准直光束。
[0010] 本发明中的光学准直与整形光学系统的设计是基于矢量折射定理，建立三维折射 面与矢量光线模型，利用MATLAB程序对光学系统结构进行最优设计，对光线在天线中的空 间传输进行三维追迹，获得像质评价参数。具体包括：1)出射光束发散角，即光束发散角与 光束空间位置的三维分布;2)点列图，即接收平面的光斑分布;3)能量均匀度，即接收平面 的三维能量分布曲面等。
【附图说明】
[0011] 图1为半导体激光器的出射光束发散特性与象散特性示意图。
[0012] 图2为本发明一种实施例的半导体激光器的理想非球面准直平凸透镜和三棱镜组 的结构框图。
[0013] 图3为本发明一种实施例的半导体激光器的理想非球面准直平凸透镜和三棱镜组 的装配示意图。
[0014] 图4为本发明一种实施例的点源出射光束经理想非球面准直平凸透镜的光路图。 [0015]图5为本发明一种实施例的象散光源出射光束经理想非球面准直平凸透镜的光路 图。
[0016] 图6为本发明一种实施例中作为对比的旋转双曲面准直平凸透镜对象散光准直的 光路图。
[0017] 图7为本发明一种实施例中象散光源情况下的理想非球面准直平凸透镜发散角与 旋转双曲面准直平凸透镜发散角对比的仿真图。
[0018] 图8为本发明一种实施例的三棱镜组整形光路图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图和实施例进一步阐述和说明本发明。
[0020] 图1所示，为半导体激光器的出射光束发散特性与象散特性示意图。半导体激光器 出射光束具有非对称发散角特性，在子午平面内的发散角（半角）一般在0°~30°范围内变 化，在弧矢平面内的发散角在0°~10°范围内变化。并且在子午平面内的发光源与弧矢平面 内的发光源并不相交于同一点，在光轴方向存在一定的象散△ 1)，势必影响半导体激光束 在光学系统中的传输效率，需要对其进行高精度的准直与整形。
[0021] 图2所示，为本发明一种实施例的半导体激光器的理想非球面准直平凸透镜和三 棱镜组的结构框图。主要由一个理想非球面准直平凸透镜和三棱镜组构成。理想非球面准 直平凸透镜对半导体激光器出射的非对称发散角高斯光束的高精度准直;三棱镜组将椭圆 截面的准直光束进一步整形为圆形截面的准直光束。其中理想非球面准直平凸透镜和三棱 镜组是本发明具体设计的内容。
[0022]图3所示，为本发明一种实施例的半导体激光器的理想