[发明专利]具有固有像散半导体激光器的新型理想非球面准直系统

说明书

本发明属于光通信技术领域，具体为具有固有像散半导体激光器的新型理想非球面准直系统。该光学系统由理想非球面准直平凸透镜和三棱镜组两部分构成，设计方法基于三维矢量折射理论。理想非球面准直平凸透镜将具有固有像散的半导体激光器出射的非对称发散特性的椭圆截面高斯光束进行高精度准直，能达到出射光束发散角精确为零度的理想准直效果。再利用三棱镜组将椭圆横截面的高精度准直光束整形为横截面为圆形的高精度准直光束。本发明有助于在半导体激光器发射源具有固有象散情况下提高光通信系统中的发射精度。

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体为具有固有像散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

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。

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(即弧矢平面)的典型发散角一般在0～30度范围内变化，平行于结平面(子午平面)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，半导体激光器在弧矢平面内的发光源与子午平面内的发光源并不重合，在光轴方向存在一定的距离(Δl)，称为固有象散，因此出射光束具有非对称发散角特性，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。

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，仍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

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，再利用三棱镜组将椭圆截面整形为圆形截面准直光束，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。

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。

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。