长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室，吉林 长春 130022
采用新型多环形腔结构优化垂直腔面发射激光器（VCSEL）的光场分布，解决了大孔径器件严重的载流子聚集效应导致的输出功率低、光束质量差的问题。研究结果表明：新型结构VCSEL较孔径相同的传统结构器件呈现更低的阈值电流，特别是输出功率较传统结构提高了近56%，且远场呈高斯分布。研究工作为实现高光束质量大功率垂直腔面发射激光器提供了新的技术途径。
激光器 垂直腔面发射激光器 高功率 光场分布 光束质量
1 深圳技术大学 工程物理学院，广东 深圳 518118
2 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900
利用时域有限差分算法（FDTD）对微纳结构靶的光场分布进行仿真模拟，探究微纳结构靶中的光传输机制，分析材料特性和结构参数对光传输特性和光场分布的影响。基于光场分布及演化的仿真模拟结果，对比半导体氧化铝、绝缘体二氧化硅和金属铜三种导电性不同的材料上纳米线和纳米孔阵列微纳结构靶的激光传输特性，分析光传输过程中的光场分布变化。研究结果表明，通过改变氧化铝和二氧化硅纳米孔（线）阵列结构靶中孔洞（纳米线）直径和间距等结构参数，可以实现对微纳结构靶中光传输特性和光场分布的调制，实现光场在介质材料和真空区域间的周期振荡分布，或是以一种稳定形态传输；激光在铜纳米孔阵列中传输时，透光性随孔洞半径的增加而增加。基于光场分布及演化的仿真模拟结果，对比不同材料、不同微纳结构靶的激光传输演化特性，给出物理图像及对应现象规律，根据光场调控需求，给出微纳结构靶设计。
纳米孔阵列结构靶 纳米线阵列结构靶 氧化铝 二氧化硅 铜 光场分布 nanopore array target nanowaire array target Al2O3 SiO2 Cu optical distribution 强激光与粒子束
2024, 36(3): 031002
长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室, 吉林 长春 130022
具有高功率及高亮度激光特性的锥形半导体激光器在激光加工、自由空间通信、医疗等领域具有广泛的应用前景。本文基于广角差分光束传播法(WA-FD-BPM), 对980 nm锥形半导体激光器进行了仿真模拟, 详细分析了不同结构参数(脊形区刻蚀深度、锥形角度、不同脊形区/锥形区长度比、锥形区刻蚀深度、前腔面反射率)对器件光束质量和P-I-V特性的影响。分析认为, 锥形区波导的几何损耗是导致器件斜率效率降低的主要因素, 光泵浦效应是影响锥形激光器光束质量变差的重要因素, 可通过降低器件的前腔面反射率来改善光束质量。研究结果可为锥形激光器的性能优化提供参考。
锥形半导体激光器 广角差分光束传播法 光束质量 光场分布 tapered semiconductor laser wide-angle differential beam propagation beam quality optical field distribution
1 太原理工大学 新材料界面科学与工程教育部重点实验室，山西 太原 030024
2 太原理工大学 轻纺工程学院，山西 太原 030024
3 太原理工大学 材料科学与工程学院，山西 太原 030024
4 陕西科技大学 材料原子·分子科学研究所，陕西 西安 710021
高功率GaN基激光二极管外延结构理论仿真对提高GaN基激光二极管的光电性能具有重要的指导意义。设计了一种n侧双波导结构的绿光激光二极管外延结构，讨论了激光器外延结构中n-InxGa1−xN波导层中铟组分对其光电性能的影响，揭示了n-InxGa1−xN波导层对激光二极管光电性能的影响机制。通过调控n-InxGa1−xN波导层中铟组分，调控外延层中的光场分布，使光场发生了偏移。结果表明，当n侧InxGa1−xN波导层中铟组分最佳值为0.07时，将光子损耗降低了0.2 cm−1，阈值电流由193.49 mA降低到115.98 mA，此外，器件的光子损耗最少，阈值电流最小，工作电压最低，从而提高了激光二极管的输出功率和电光转换效率。因此，当绿光激光二极管的注入电流密度为6 kA/cm2时，功率输出达234.95 mW。n侧双波导结构设计为制备高功率绿光激光二极管提供了理论指导和数据支撑。
绿光 GaN基激光二极管 波导层 光场分布 green light GaN based laser diode waveguide layer optical field distribution 红外与激光工程
2021, 50(10): 20200489
构建了一种激光二极管(LD)侧面单向泵浦激光模块的理论模型。综合光线追迹和有限元仿真方法,推导了该模型下泵浦效率及晶体内光场分布均匀性的计算公式,数值分析了LD切向位移量、径向角度偏离度及晶体吸收系数等因素对泵浦效率和光场分布均匀性的影响。研究结果表明: 随着吸收系数的增加,光场分布的均匀性呈现逐渐下降趋势; 通过优化LD切向位移量和径向角度偏离量,仿真获得了高达93%的泵浦效率。研究成果对高功率LD侧面单向泵浦激光模块的优化设计和实验研究具有一定的参考价值。
光线追迹 有限元法 光场分布 泵浦效率 ray tracing finite element method light field distribution pump efficiency
1 重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心, 时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室, 重庆 400054
2 重庆理工大学机械工程学院, 重庆 400054
针对传统高精度角位移测量方法中,存在制造工艺复杂、多测头结构复杂且安装困难等问题,提出一种基于旋转光场且整周封闭的高精度角位移测量方法。该方法借鉴旋转磁场产生原理,在整个圆周面上均布正弦型透光面,等间隔地将整圈透光面分成0°、90°、180°和270°四组,用单路交变光场为整周封闭的透光面提供交变光强信号,经光电转换和微控移相合成一路电行波信号,最后利用高频时钟脉冲对参考信号与电行波信号的相位差进行插补,实现了角度测量。通过搭建实验平台,对不同的原理样机进行对比实验,实验验证了制造精度和对极数对测量误差的影响,在整周360°测量范围内,采用圆心角为2°的等分透光栅面,测量误差可达±5.0″。由于测量误差主要由周期性误差成分组成,通过修正谐波误差以及提高光场分布质量,其测量精度还将有较大的提升空间。验证了该方法对制造和安装误差的抑制效果,为采用低精度制造工艺实现高精度测量提供了一种有效的实现方案。
测量 旋转光场 角位移 交变光场 光场分布 光学学报
2021, 41(18): 1812001
1 中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室, 北京 100083
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院, 北京 100049
详细研究了n型AlGaN限制层与InGaN上波导对GaN基绿光激光器光场分布与电学特性的影响,结果表明:增加n型AlGaN限制层厚度或提高InGaN上波导中的铟组分可以明显抑制GaN基绿光激光器的光场泄漏,改善光场分布;相比In0.02Ga0.98N上波导,采用更高铟组分的In0.05Ga0.95N上波导可增加光场限制因子,改善绿光激光器的性能。综合调控n型限制层和上波导才能有效改善GaN基绿光激光器的光场分布,提高激光器的性能。
激光光学 氮化镓 绿光激光器 光场分布
1 江南大学 理学院, 江苏 无锡214122
2 天津大学 精密仪器与光电工程学院, 天津 300129
3 苏州光环科技有限公司, 江苏 苏州 215123
针对熔融拉锥系统制得的熔锥型微纳光纤耦合器, 选择适当的连续函数描述其光场分布, 采用归一化的三角分布和矩形分布的加权叠加, 以及高斯分布和三角分布的加权叠加实现了模场沿 耦合器区域的连续变化; 利用局部模式耦合理论推导出腰区及腰区附近锥形区的耦合系数计算公式, 并得到微纳光纤耦合器输出光功率随拉伸长度的变化曲线.计算结果表明, 随着拉伸长度的增加, 光能量在两臂中来回交替耦合的程度变小并且呈现包络样, 直至腰区耦合功能消失.通过实时监测拉制微纳光纤耦合器的输出光功率, 得到火焰扫描宽度以及氢气流量对双纤失去耦合效应拉伸长度 的影响: 火焰扫描宽度(均匀腰区)越宽, 拉伸长度临界值越大; 氢气流量(熔融度)越大, 拉伸长度临界值越小.实验结果显示, 当光纤耦合器腰区直径达到1.6 μm时, 耦合功能消失, 两输出端口 光功率相同且恒定, 微纳光纤耦合器具备稳定的光学传输特性.
光纤光学 微纳光纤 局部模式 耦合器 拉伸过程 熔融度 光场分布 Fiber optics Micro-nanofiber Local mode Coupler Stretching process Degree of fusion Optical field distribution
1 重庆理工大学机械工程学院, 重庆 400054
2 重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室, 重庆 400054
针对现有多交变光场的光源一致性差、体积大、难集成的问题,提出一种单交变光场的驻波合成电行波的微控移相精密直线位移测量方法。该方法利用单路交变光源与四路正弦栅面空间调制获得四路光强信号;通过微控移相电路获得时间上严格相差90°的两路驻波信号,并合成一路电行波信号;最后利用高频时钟脉冲对参考信号与电行波信号的相位差进行插补,实现位移测量。文中分析微控移相测量原理,并针对移相精度和光场分布建立理论模型和仿真模型,明确了传感器因移相精度和光场分布引起的一次、二次误差产生的原因。实验结果表明,所研制的原理样机,在0.6 mm的短周期内原始测量精度为±0.26 μm,经误差修正和优化后,在500 mm测量范围内,测量精度与RENISHAW激光干涉仪基本一致。集成化的结构和高精度测量结果为该传感器下一步工程化应用提供了良好的基础。
测量 位移测量 传感器 交变光场 光场分布
