計(jì)算機(jī)仿真多模激光在光纖內(nèi)的光強(qiáng)分布

王艷芬，鄧云龍

（1.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510510； 2.華南理工大學(xué)物理與光電學(xué)院，廣州 510641）

計(jì)算機(jī)仿真多模激光在光纖內(nèi)的光強(qiáng)分布

王艷芬1，鄧云龍2

（1.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510510； 2.華南理工大學(xué)物理與光電學(xué)院，廣州 510641）

光纖內(nèi)的激光光強(qiáng)分布是激光照明研究的關(guān)鍵內(nèi)容之一。文章采用OptiBPM光學(xué)軟件分別對(duì)光束半徑為15、30和50μm的單模、雙模和多模激光在兩層均勻結(jié)構(gòu)的光纖內(nèi)的傳輸進(jìn)行了仿真計(jì)算，仿真設(shè)置纖芯直徑分別為100、120、150和180μm。結(jié)果表明，對(duì)于應(yīng)用于照明領(lǐng)域的多橫模大功率半導(dǎo)體激光器，在耦合纖芯直徑與激光束寬度相等的情況下，光纖出射端的激光光強(qiáng)分布最均勻。

光纖合束；半導(dǎo)體激光器；白光激光

0 引 言

半導(dǎo)體激光器具有體積小、壽命長(zhǎng)、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率轉(zhuǎn)換效率高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在激光通信、光電檢測(cè)和印刷制版等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。自從大功率激光器，特別是連續(xù)大功率藍(lán)光、橙光激光器研制成功后［1-2］，由于其節(jié)能環(huán)保、亮度高等優(yōu)勢(shì)，激光進(jìn)入日常照明領(lǐng)域的前景也一片光明。

激光應(yīng)用于日常的照明領(lǐng)域時(shí)，首先要將純色激光轉(zhuǎn)變?yōu)榘坠饧す狻Ｄ壳皩?shí)現(xiàn)白光激光的辦法有3種:一種是將紅色、橙色、綠色和藍(lán)色等多種顏色的激光經(jīng)過(guò)鍍有特殊薄膜的棱鏡進(jìn)行合束，然后經(jīng)過(guò)衍射結(jié)構(gòu)，使得各激光波長(zhǎng)在空間中充分混合，實(shí)現(xiàn)白光激光照明；另一種辦法是用高功率藍(lán)光激光打在透明介質(zhì)上，使透明介質(zhì)被電離，激光束的自聚焦和等離子體的散焦作用同時(shí)存在，產(chǎn)生一些非線性現(xiàn)象［3］，使得激光光譜得以很大程度地展寬，并且經(jīng)過(guò)橙黃濾光結(jié)構(gòu)，橙黃光混合剩余的藍(lán)光得到白光激光出射；第3種方法是將紅色、橙色、綠色和藍(lán)色等多種顏色的激光分別耦合到一根光纖內(nèi)，多種波長(zhǎng)的激光在光纖中充分混合后，得到白色激光輸出。在這3種實(shí)現(xiàn)白光激光的方案中，第1種方案是利用激光衍射來(lái)進(jìn)行各激光波長(zhǎng)混合，照明空間不容易控制，能量的有效利用需要更多機(jī)構(gòu)的參與，較難推廣；第2種方案利用的介質(zhì)處于電離狀態(tài)，并且強(qiáng)激光經(jīng)過(guò)橙黃色濾光材料，狀態(tài)不穩(wěn)定。這兩種方案所需的光機(jī)結(jié)構(gòu)都非常復(fù)雜，精密度要求高，不容易加工裝配實(shí)現(xiàn)。第3種方案利用光纖合束法將不同波長(zhǎng)、光斑各異的激光束耦合到同一根光纖內(nèi)，原理與技術(shù)相對(duì)成熟，其關(guān)鍵技術(shù)是如何讓各種模式的激光在光纖內(nèi)充分混合。

本文通過(guò)計(jì)算機(jī)光學(xué)軟件OptiBPM模擬仿真得到，對(duì)于任何多模激光光束，只要其水平寬度與耦合光纖的纖芯直徑保持一致，激光運(yùn)行50 mm以上的長(zhǎng)度后，各模式激光光強(qiáng)在光纖內(nèi)將得到最均勻的分布。也就是說(shuō)，各種波長(zhǎng)的激光在光纖內(nèi)將充分混合，在光纖的出射端會(huì)得到光強(qiáng)分布均勻的白光激光。

1 多波長(zhǎng)激光的光纖合束理論

光纖合束就是將多束激光通過(guò)光纖耦合技術(shù)導(dǎo)入到同一根光纖內(nèi)，從而形成一條光束。如圖1所示，左側(cè)為4個(gè)不同波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器，分別將各波長(zhǎng)激光耦合進(jìn)各自對(duì)接的光纖，然后將這4根光纖通過(guò)合束器，將光線導(dǎo)入到同一根光纖中。這樣各波長(zhǎng)激光束在同一根光纖內(nèi)反復(fù)全反射混合傳輸，預(yù)期混合的白色激光將從光纖右側(cè)的端口出射。

圖1 多波長(zhǎng)激光光纖合束示意圖

本文討論及仿真的光纖是二層均勻光纖，激光在光纖中無(wú)損傳輸是因?yàn)榧す庠诶w芯內(nèi)以全反射的方式傳輸。在光纖內(nèi)傳輸?shù)哪Ｊ阶駨墓饫w傳輸?shù)奶卣鞣匠蹋?］:

半導(dǎo)體激光器的激射模式可以是基模，也可以是多模，但不管是基模還是多模，其激光光強(qiáng)的空間分布都極不均勻，示意圖如圖2所示。圖中，橫軸為距離尺寸，為激光器水平方向的寬度；縱軸為光場(chǎng)強(qiáng)度。由于光強(qiáng)分布不均勻，導(dǎo)致不同波長(zhǎng)的光線在空間直接混合成均勻的白色變得非常困難，因此很難應(yīng)用到日常照明領(lǐng)域中。

圖2 激光光強(qiáng)分布示意圖

將這樣的激光耦合進(jìn)光纖中，光束中心的光線將慢慢擴(kuò)散到纖芯的邊緣，而原來(lái)邊緣的光線將全反射到纖芯的中心，原來(lái)極不均勻的光強(qiáng)分布將會(huì)發(fā)生一些變化。如果光束光斑的對(duì)稱性與光纖的對(duì)稱性不一致，那么在反復(fù)全反射傳輸?shù)倪^(guò)程中，原來(lái)不同角度、不同方位的光線所形成的光束包絡(luò)將逐漸分離，同時(shí)還會(huì)慢慢形成新的光束包絡(luò)。光線在光纖內(nèi)傳輸距離足夠長(zhǎng)之后，必將慢慢呈現(xiàn)光纖傳輸模式的特點(diǎn)，在光纖橫截面上將得到滿足光纖邊界條件的光強(qiáng)分布。

如果半導(dǎo)體激光器的激射模式函數(shù)用M1來(lái)表示，光纖傳輸函數(shù)用M2來(lái)表示，那么光線經(jīng)光纖傳輸后的模式函數(shù)M3可以表示為

式中，M2是根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算得到的光纖約束光線的傳輸函數(shù)。式（3）的參數(shù)多，相互關(guān)聯(lián)復(fù)雜，想通過(guò)公式推導(dǎo)的方式來(lái)確定輸入激光光束和光纖的NA（數(shù)值孔徑）等參數(shù)的要求，從而獲取均勻光強(qiáng)輸出的辦法幾乎行不通。本文采用數(shù)值計(jì)算的方法，運(yùn)用光學(xué)軟件OptiBPM來(lái)仿真不同形狀的光束在不同口徑的光纖中的傳輸，并對(duì)比分析各種仿真結(jié)果，從而確定光束以及光纖的優(yōu)化參數(shù)。

圖3 不同半徑的激光束在光纖內(nèi)的光強(qiáng)分布

2 OptiBPM仿真及結(jié)果分析

2.1 優(yōu)化輸入激光束

大功率半導(dǎo)體激光器的水平寬度都很大，可達(dá)到幾十、一百甚至幾百微米，考慮到目前成熟的商用產(chǎn)品一般為100μm，所以本文仿真用的激光近場(chǎng)光斑最大選為100μm。半導(dǎo)體激光器為基模激射，并且波形矯正成中心對(duì)稱的高斯光束耦合進(jìn)光纖。光纖直徑為100μm，入射光斑半徑r分別為50、30和15μm。通過(guò)光學(xué)軟件OptiBPM數(shù)值計(jì)算公式（3），觀察激光束在光纖內(nèi)的光強(qiáng)分布，仿真的光纖長(zhǎng)度為20 mm。所用光纖的纖芯折射率為1.46，NA為0.22。仿真結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，圖（a）中光強(qiáng)分布基本保持入射光斑的光強(qiáng)分布；圖（b）中纖芯邊緣和中心的光強(qiáng)呈周期性變化；圖（c）的規(guī)律與圖（b）一樣，且周期性得到了加強(qiáng)。也就是說(shuō)，如果入射光斑與光纖的對(duì)稱性一樣是圓對(duì)稱，那么無(wú)論如何調(diào)整入射光斑的大小，或者改變纖芯直徑的大小，都無(wú)法得到均勻的光線輸出。

當(dāng)入射光束水平方向光斑半徑維持為50μm，而垂直方向的半徑分別收縮到10和5μm時(shí)，光纖內(nèi)的光強(qiáng)分布分別如圖4和圖5所示。

圖4 垂直方向光束半徑為10μm時(shí)光束在光纖內(nèi)的光強(qiáng)分布

圖5 垂直方向光束半徑為5μm時(shí)光束在光纖內(nèi)的光強(qiáng)分布

從圖中可以看出，入射光斑的水平方向半徑維持50μm，垂直方向壓縮到10μm時(shí)，光線有所分離，但是聚集性還很明顯；而壓縮到5μm時(shí)，原來(lái)的光線才能得到有效地分散，光纖橫截面的各個(gè)模式分布均勻，高度基本一致。有理由相信，光斑垂直方向進(jìn)一步壓縮時(shí)，光纖中的光強(qiáng)分布將更加均勻。但是考慮到垂直方向的準(zhǔn)直只用一根光纖或者是圓柱鏡子，光斑壓縮到半徑為5μm的尺寸是合理的。

當(dāng)半導(dǎo)體激光器不以基模激射，而是以多橫模激射時(shí)，入射光束的不對(duì)稱性與單模激光對(duì)比將得到加強(qiáng)，那么光纖內(nèi)的光強(qiáng)分布將會(huì)更加均勻。圖6所示為水平方向?yàn)?個(gè)橫模疊加，總寬度為100μm，垂直方向?yàn)?0μm的激光光束入射的情況。由圖可見(jiàn)，無(wú)論是傳輸方向還是橫截面上的光強(qiáng)分布，都比圖5單模激射時(shí)要均勻。

圖6 多模光束在光纖內(nèi)的光強(qiáng)分布

2.2 優(yōu)化光纖的口徑

半導(dǎo)體激光束垂直方向角度較大，需要用光纖或細(xì)微圓柱鏡子準(zhǔn)直，而水平方向光束發(fā)散角度不大，到光纖耦合端，光斑也就擴(kuò)散1～2μm，因此如果激光器水平方向出光口徑為100μm，則100μm直徑的光纖可以將絕大部分光線截獲。圖7所示為相應(yīng)的仿真結(jié)果。這里仍然使用上面確定的100μm寬、10μm高的多模光束來(lái)進(jìn)行仿真，光纖的直徑分別變?yōu)?20、150和180μm。

圖7 在不同直徑的纖芯內(nèi)的光強(qiáng)分布

從圖中可以看出，光線進(jìn)入光纖后得到了充分?jǐn)U散，纖芯邊緣和中心都充滿了光線。同時(shí)還可以看出，隨著纖芯直徑的增大，Y方向兩側(cè)的模式的峰值越來(lái)越突出，說(shuō)明光強(qiáng)分布的均勻度在下降，其原因是隨著纖芯直徑的增大，入射光束與光纖的對(duì)稱不一致性在降低。

結(jié)合圖6和圖7的光纖橫截面上光強(qiáng)分布可以得出如下結(jié)論:光纖直徑與耦合光束水平寬度保持一致時(shí)，光纖出射端可獲得最均勻的光強(qiáng)分布。

以上仿真及結(jié)果分析表明，水平寬度為100μm的大功率多橫模的藍(lán)色、橙色半導(dǎo)體激光，垂直方向的光斑半徑都?jí)嚎s到5μm以下，分別耦合進(jìn)入光纖，然后將它們合束，在同一根直徑為100μm的光纖內(nèi)混合傳輸。通過(guò)調(diào)整藍(lán)光與橙光的功率比例，在光纖出射端可以得到光強(qiáng)分布均勻的白光激光。為了提高白光激光照明的顯色性，在光纖中還可以加入綠光激光和紅光激光，它們的光束大小同樣要求為100μm×10μm。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文仿真分析了激光在多模光纖中的傳輸，光強(qiáng)分布的仿真結(jié)果表明，光束與光纖對(duì)稱關(guān)系的不一致性是光纖橫截面上獲得均勻光強(qiáng)分布的關(guān)鍵因素。如果把大功率多橫模的藍(lán)光、橙光、綠光和紅光激光通過(guò)光纖合束的辦法耦合進(jìn)同一根光纖內(nèi)，其中垂直方向的光束尺寸盡可能壓縮，纖芯的直徑與激光器的水平寬度保持一致，激光在纖芯內(nèi)將得到充分混合，可以得到光強(qiáng)分布均勻的白色激光。使用該方法生成的光強(qiáng)分布均勻的激光，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定好等優(yōu)點(diǎn)。

［1］Farrell R M，Haeger D A，Hsu P S，et al.High-power blue-violet AlGaN-cladding-free m-plane InGaN/ Ga N laser diodes［J］.Applied Physics Letters，2011，99（17）:171113-3.

［2］Leinonen T，Korpij?Rvi V M，H?Rk?Nen A，et al.7.4 W yellow GaIn NAs-based semiconductor disk laser［J］.Electronics Letters，2011，47（20）:1139-1440.

［3］Aude Roy，Philippe Leproux，Philippe Roy.Doubleclad nonlinear microstructured fiber for white laser applications［C］//Lasers and Electro-Optics 2006 and 2006 Quantum Electronics and Laser Science Conference.Long Beach，CA:IEEE，2006:1-2.

［4］廖延彪.光纖光學(xué)-原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010.

Study of the Light Intensity Distribution of Multimode Laser in the Optical Fiber

WANG Yan-fen1，DENG Yun-long2
（1.Guangdong Polytechnic of Industry and Commerce，Guangzhou 510510，China；2.School of Physics and Optoelectronis，South China University of Technology，Guangzhou 510641，China）

The laser intensity distribution in the optical fiber is one of the key parts in the research of laser illumination.In this paper，light transmission at the optical beam radius of 15μm，30μm，50μm in single-mode，dual-mode and multi-mode optical fiber in the two-uniform structure are investigated through simulation by optical software OptiBPM.The fiber core diameter size is set at 100μm，120μm，150μm，180μm，respectively.The simulation results show that for the multi-mode of highpower semiconductor laser，the most uniform of light intensity at the exit end of the optical fiber is achieved when the width of the laser beam is equal to fiber core diameter.

fiber beam combiner；semiconductor lasers；white laser light

TN249

A

1005-8788（2016）05-0029-03

10.13756/j.gtxyj.2016.05.009

2016-05-15

廣東省省級(jí)科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2015B01027004）；廣州市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（201601010322）

王艷芬（1970-），女，遼寧沈陽(yáng)人。副教授，碩士研究生，主要從事電子技術(shù)和通信技術(shù)的教學(xué)與科研工作。

鄧云龍，博士。E-mail:yldeng@scut.edu.cn