808nm半導体ファイバ結合モジュール の基本原則

半導体レーザーファイバーカップリングでは、ビームの品質を評価するために、光学パラメーター製品（BPP、fBPP）の概念が通常使用されます。

ここで、d0 / 2はビームウエストの半径で、θ0は遠視野発散半角です。 半導体レーザーファイバーカップリングでは、集光スポットのサイズと発散角をファイバーコア径と開口数（NA）よりも小さくする必要があります半導体レーザービーム後のビームスポットは正方形であり、遠視野分布も正方形であるため、ファイバーのコア径 NAとNAは両方とも対称的に分布しているため、集束ビームの高速軸と低速軸のビーム品質は次の条件を満たす必要があります。


ここで、fBPP-FAとfBPP-SAはそれぞれ半導体レーザーの高速および低速ビーム品質であり、fBPP-Fはファイバーの光学パラメーター積です。 式（2）は、集束ビームとファイバーの最適な結合関係を示しています。

一般的に、半導体レーザーのビーム品質は、高速軸と低速軸の方向で大きく異なります。実験で使用した808nm半導体レーザーを例にとると、高速軸の発光サイズは1μm、低速軸の発光サイズは200μm、対応する発散角は70°×11°です 95％のエネルギー）、式（1）から、速軸方向のビーム品質は優れていますが、発散角が大きく、これは単軸半導体レーザーの速軸方向の重ね合わせには役立ちません。 ）高速軸の発散角を圧縮します。 半導体レーザーの速軸発散角が大きすぎるため、実験で使用したFACはコリメート中に発生する収差を低減する非球面シリンドリカルレンズです。遅軸発散角は比較的小さいため、遅軸コリメータ（SAC） 球面シリンドリカルレンズを使用できます。 図1は、単管半導体レーザーの高速軸と低速軸のコリメーションの概略図です。




表1は、コリメーション前後の1軸半導体レーザーのビーム品質を示しています。遅軸方向のビーム品質は、速軸方向のビーム品質よりもはるかに悪いことがわかります。したがって、遅軸方向のビーム品質を等しくするには、ビームを速軸方向に重ね合わせる必要があります。 各FACの高さは1.5 mmであるため、2つの半導体レーザーそれぞれの高さの差は1.5 mmです。 計算により、12個の半導体レーザーをファスト軸方向に重ね合わせることができることがわかります。実験では、ステップアレイ構造を使用し、各ステップの高さは1.5mmです。レーザー透過の機械的構造と光路差を考慮して、12個のレーザーを設計します。 半導体レーザーはそれぞれ2つのステップヒートシンクに溶接され、各ステップヒートシンクには6つのレーザーが含まれます。このように、高速軸と低速軸のサイズは9mmx5.6mm、発散角は3mradx8.8mrad、高速軸と低速軸のビーム品質はそれぞれ


2つのラダーヒートシンクは同じ高さに固定され、一方のレーザービームはプリズムを平行移動することにより速軸方向に9 mm増加します。そのため、他のレーザービームよりも高くなります。その後、2つのビームは反射プリズムによって速軸方向に重ねられ、それにより達成されます スペースをマージします。


式（5）は、並進プリズム変位の計算式です。 ここで、dは並進プリズムの厚さ、nは材料の屈折率、Iはビームの入射角、I 'はビームの屈折角です。 図2は、水平ビームシフトの原理を示しています。 プリズムの傾斜面に45°でレーザービームが入射し、垂直並進が9mmの場合、プリズムはフューズドシリカJGS1光学ガラスを使用し、プリズムの角度は45°であり、プリズムの長さは24.7mm、高さは 20mmです。



図3は、半導体レーザーのビーム結合の概略図です。 空間結合の後、12層のレーザー光源が速軸上に形成されます。このとき、速軸方向のビーム品質は

ビーム品質が変わらない条件下で半導体レーザーファイバーカップリングモジュールの出力が確実に改善されるように、形成された2つのユニットは偏光結合プリズム（PBS）によって結合されます。実験で使用した半導体レーザーはすべてP偏光であるため、ユニットの1つはまずλ/ 2波長板を介してS偏光に変換され、次にPBSプリズムを通過して、P偏光が透過し、S偏光が反射されます。入射ビームのパワーは、PBSの偏光ビーム結合フィルムの同じ領域で2倍になるため、偏光ビーム結合後のビーム品質は理論的には変化しません。

偏光ビームの結合後、高速ビームと低速ビームの品質は近くなりますが、高速軸の発散角は3mrad、低速軸の発散角は8.8mrad、低速軸の発散角は高速軸の約3倍です。ビーム拡大システムは、低速軸ビームを拡大して高速軸と低速軸の発散角を等しくするため、フォーカシング後にファイバーの端面に正方形のスポットを得ることができます。実験では、逆ガリレオ伸縮構造を使用して、曲率r1 = 11.33mmおよびr2 = 48の平凹シリンダーと平凸シリンダーで構成される3重円筒形ビームエクスパンダーシステムを設計しました。 72mm。ビーム拡大システムを通過した後、スロー軸の発散角は3倍に減少します。これは、ファスト軸の発散角にほぼ等しくなります。 Zemax光学設計ソフトウェアを使用して、非球面集束レンズグループのセットは、結合後にビームを集束するように設計されています。レンズの焦点距離は74mmで、伝達関数は回折限界に近く、高い結合効率を保証します。