Disculpe: Respecto al acoplamiento láser.

La microóptica es uno de los componentes importantes de los futuros sistemas electromecánicos microópticos (MOEMS, también conocidos como sistemas microelectromecánicos) (los otros dos componentes son la microelectrónica y la micromecánica) A veces también se denomina MEMS óptico. Los componentes microópticos tienen las ventajas de tamaño pequeño, peso ligero, diseño flexible, implementación de matriz y fácil replicación a gran escala. Se han utilizado con éxito en diversos campos de la óptica moderna, como la corrección de aberraciones del sistema óptico y la mejora de la imagen del sistema óptico. calidad y reducción del peso del sistema. Se utiliza ampliamente en el campo de la óptica láser para cambiar el frente de onda del rayo láser y lograr la transformación del haz, como la colimación, la conformación, la conmutación óptica y la interconexión óptica del haz. Los elementos microópticos se pueden dividir simplemente en dos categorías según la forma en que se propaga la luz: elementos ópticos difractivos (DOE) y elementos ópticos refractivos (ROE). Los elementos ópticos binarios (BOE) son un elemento microóptico difractivo de uso común y un elemento microóptico importante, que se aproxima a una forma de superficie óptica continua con una forma de superficie de múltiples niveles. Los métodos de diseño correspondientes para componentes microópticos incluyen el método de difracción y el método de óptica geométrica de propagación refractiva, como el método de zona de Fresnel, el algoritmo G-S, el algoritmo genético, el trazado de rayos, etc. Los software comerciales actualmente maduros como CODE V, ZEMAX, OSLO, etc. tienen la función de optimizar el diseño de componentes y sistemas microópticos.

2. Métodos de fabricación de componentes microópticos

Existen dos métodos de fabricación de componentes microópticos: procesamiento mecánico y procesamiento óptico. Los principales métodos de procesamiento son [1]: trefilado de lentes de fibra, rectificado de ultraprecisión, conformado, torneado con diamante, etc. El método de procesamiento óptico es la fotolitografía. La ventaja del método de procesamiento mecánico es que el proceso es simple, pero la desventaja es que es difícil realizar dispositivos de matriz y replicaciones baratas a gran escala, y no es fácil producir componentes microópticos no simétricos rotacionalmente, como como lentes cilíndricas y microópticas con superficies irregulares arbitrarias. La ventaja del método de procesamiento óptico es que puede realizar cualquier lente de superficie irregular (especialmente elementos microópticos binarios) y puede replicarse a gran escala. La desventaja es que el proceso es complejo y tiene altos requisitos ambientales. La litografía óptica puede realizar elementos microópticos difractivos binarios y elementos microópticos de superficie continua, incluyendo principalmente el método óptico binario, el método de movimiento de máscara, el método de máscara en escala de grises, el método de fusión en caliente y el método de índice de refracción de gradiente. La Figura 1 muestra el principio de procesamiento de elementos microópticos difractivos binarios de 8 pasos en fotolitografía. Utilizando tres máscaras con diferentes frecuencias, a través de los tres procesos de rechazo de pegamento, exposición, revelado y grabado, se logra un elemento microóptico con una eficiencia de difracción del 95%. La Figura 2 es un elemento de matriz microóptica plana continua fabricado mediante el método de movimiento de máscara. Primero se diseña la máscara de acuerdo con la forma de superficie deseada y luego se mueve la máscara durante el proceso de exposición para lograr diferentes exposiciones para cada parte. Finalmente, la forma de la superficie del fotoprotector se transfiere al material de la superficie óptica mediante revelado y grabado con iones reactivos. El método de máscara en escala de grises consiste en codificar en escala de grises la máscara de acuerdo con el tipo de superficie requerida por el elemento microóptico para formar la función de distribución de transmitancia de intensidad de luz correspondiente. A través de una exposición y revelado, se puede obtener la forma de la superficie fotorresistente correspondiente y, finalmente, se puede obtener la forma de la superficie del material óptico mediante grabado, como se muestra en la Figura 3. El método de fusión en caliente da forma a la superficie al reducir la tensión superficial del fotoprotector después de la exposición, como se muestra en la Figura 4. Entre estos métodos, el campo de aplicación del método de fusión en caliente es limitado porque la forma de la superficie no es fácil de controlar y es difícil fabricar superficies con formas irregulares. Aunque el método de difracción binaria puede realizar varias formas de superficie complejas y se usa ampliamente, no puede producir componentes microópticos de gran valor debido a la limitación de la resolución del ancho de línea de la fotolitografía. El método de movimiento de máscara puede producir componentes con aperturas numéricas más grandes, pero es difícil producir componentes sin simetría central o simetría rotacional. El método de máscara en escala de grises tiene un diseño flexible y puede producir componentes microópticos con cualquier forma de superficie. Sin embargo, debido a la gran cantidad de datos en el proceso de producción de la máscara, es difícil controlar con precisión la forma de la superficie. En términos generales, el método de difracción binaria es adecuado para elementos microópticos con aperturas numéricas pequeñas, y el método de superficie continua es adecuado para producir elementos microópticos con aperturas numéricas grandes.

3.1 Características de los láseres semiconductores y métodos de acoplamiento de fibras

Los diodos láser y sus matrices se consideran los más interesantes por su pequeño tamaño, peso ligero, alta eficiencia luminosa y facilidad de uso. de modulación e integración. Láseres del futuro. Los láseres semiconductores de alta potencia requieren que el láser no sea una estructura de área única de emisión de luz, sino que estas áreas únicas de emisión de luz estén dispuestas en chips de tiras o matrices apiladas de acuerdo con ciertas reglas. La Figura 5 muestra un láser semiconductor de matriz de tiras de alta potencia típico.

Diagrama esquemático de la sección transversal de luminiscencia del dispositivo. La estructura especial de los láseres semiconductores da como resultado grandes ángulos de divergencia y astigmatismo, lo que genera muchos inconvenientes de uso y restringe la aplicación de los láseres semiconductores.

Excepto por unas pocas aplicaciones, como el lado de DPSL, la mayoría de las aplicaciones, como la cara final de los láseres de estado sólido bombeados por láser semiconductores (DPSL), los láseres de fibra, los exigentes láseres de bombeo lateral, etc., requieren el haz LDA. para ser moldeado para formar el núcleo de fibra. Salida láser acoplada a fibra con diámetro pequeño, apertura numérica pequeña y alto brillo. El primer método consistía en corresponder una fibra óptica a cada área emisora ​​de luz del LDA para formar un haz de fibras ópticas. Este método requiere el uso de un gran haz de fibras a alta potencia, pero el brillo no es alto, lo que dificulta dar más forma al haz para aumentar el brillo, por lo que este método ha tendido a eliminarse. Teniendo en cuenta que tanto los componentes microópticos como los conjuntos de láseres semiconductores de alta potencia tienen las características de miniaturización y disposición, se considera que el uso de componentes microópticos para colimar, dar forma y acoplar rayos láser semiconductores es el más prometedor.

Método de conformación del haz de una matriz de microlentes. Primero, el haz LDA se colima en un haz colimado utilizando una matriz de microlentes, luego se le da más forma al haz y, finalmente, el haz conformado se enfoca y se acopla a la fibra óptica, como se muestra en la Figura 6.

3.2 Análisis de principios del módulo LDA acoplado a fibra

Además de la potencia, los principales parámetros del haz láser de salida acoplado a fibra incluyen el diámetro del núcleo de la fibra y la apertura numérica. Para haces de fibra acoplada con un cierto diámetro de núcleo y apertura numérica, todo el proceso de acoplamiento satisface el principio de invariancia del producto de los parámetros ópticos [3]. El producto de los parámetros ópticos se define como el producto del diámetro del punto y el ángulo de divergencia en esa dirección. Para un haz circularmente simétrico con diámetro d, el ángulo de divergencia de campo lejano es θ y el producto de parámetros ópticos del haz es

BPP LDA y la fibra BPP son los productos de parámetros ópticos del haz de acoplamiento y la fibra. respectivamente. Para el conjunto de láser semiconductor de alta potencia que se muestra en la Figura 5, los productos de los parámetros ópticos en las direcciones del eje rápido y lento son 0,70 mm*mrad y 1745 mm*mrad respectivamente, pero si el ángulo de divergencia se define como 1/e2, la divergencia El ángulo del láser es mayor. De hecho, existen espacios entre las áreas emisoras de luz del láser semiconductor de matriz y el ciclo de trabajo es 0,3 en lugar de 1. Por lo tanto, la alineación uno a uno con la matriz de microlentes puede aumentar el ciclo de trabajo y reducir el producto de parámetros ópticos en la dirección del eje lento, de modo que el producto de parámetros ópticos sea 19×0,15×10×17.

3.3. Colimación y conformación del haz colimado

Para una fibra óptica con un diámetro de núcleo de 800 μm y una apertura numérica de 0,22, el parámetro óptico producto es 352 mm*mrad, que es rápido. El producto de los parámetros ópticos en la dirección axial es suficiente para cumplir con los requisitos de acoplamiento. El producto de los parámetros ópticos en la dirección del eje lento es demasiado grande y no puede cambiarse con el sistema óptico tradicional, por lo que es necesario darle forma al haz. La conformación del haz consiste en lograr el equilibrio del producto de los parámetros ópticos en las dos direcciones reorganizando el haz de luz en el eje rápido y lento, reduciendo el tamaño del punto en una dirección y aumentando el tamaño del punto en la otra dirección. Suponiendo que el producto de los parámetros ópticos en la dirección del eje lento es BPP lento y el producto de los parámetros ópticos en la dirección del eje rápido es BPP rápido, el número de tiempos de conformación del haz n se puede calcular mediante la ecuación (3).

De hecho, dado que el aumento en el número de pliegues conducirá inevitablemente a una pérdida entre los espacios de división, solo es necesario satisfacer que el producto de los parámetros ópticos en las direcciones de los ejes rápido y lento sea menor que el producto de los parámetros ópticos en la fibra de acoplamiento. Actualmente, existen tres tipos de conformación del haz: reflexivo, refractivo y catadióptrico. Después de la colimación, los haces refractados y catadióptricos todavía tienen un cierto ángulo de divergencia en la dirección del eje lento, lo que inevitablemente producirá grandes pérdidas por reflexión en varias superficies refractivas y se desviará de la trayectoria óptica, reduciendo así la eficiencia de acoplamiento de todo el sistema. La reflexión es un método ideal, por lo que elegir la reflexión es útil para mejorar la eficiencia de acoplamiento del sistema.

Para el LDA de matriz de bandas con una relación de aspecto de 0,3, los productos de parámetros ópticos en las direcciones del eje rápido y del eje lento son 0,70 mm*mrad y 497 mm*mrad respectivamente. Si necesita acoplarse a una fibra óptica con un producto de parámetros ópticos de 352 mm*mrad, una longitud de onda de 800 um y 0,22 NA, solo es necesario darle forma y doblar el haz de eje lento dos veces.

3.4.Cálculo y simulación

Se utilizó el software de diseño óptico de trazado de rayos no secuencial ZEMAX EE para simular el modelo de luminiscencia, la colimación del haz, la conformación y el enfoque de la fuente de luz, y se obtuvo Distribución del campo luminoso y eficiencia de cada paso. La Figura 8 muestra la distribución de la intensidad de la luz en varias posiciones importantes de la superficie óptica, donde A es la distribución de la intensidad de la luz en la superficie emisora ​​de luz del láser de matriz de tiras.

Como se puede ver en la figura, hay 19 áreas emisoras de luz y la potencia de salida de cada área emisora ​​de luz es de 2 W, por lo que la potencia óptica de salida total es 38 W. B es la distribución de intensidad de la luz después de la colimación en modo rápido y. direcciones del eje lento, la potencia es 37,9 y C es la distribución de intensidad de la luz después de dar forma, la potencia del láser es 365438+. d es la distribución de intensidad de la luz en la cara extrema de la fibra de enfoque. Según los resultados de la simulación, el punto de luz es inferior a 150um × 720um, la potencia de salida es de 26W y la eficiencia de acoplamiento es del 68,5%. Si la potencia total es de 40 W, la potencia de salida del acoplamiento de fibra es de 27,4 W.

3.5. Resultados experimentales y análisis

El láser semiconductor de matriz de tiras de 40W se acopla a la matriz de microlentes a través de fibra óptica. El láser consta de 19 áreas emisoras de luz y la longitud de cada área emisora ​​de luz es de 150? m, la distancia entre las áreas luminosas es de 500? m, por lo que la longitud del área de emisión de luz de la matriz de tiras es de 10 mm y los ángulos de divergencia en las direcciones de los ejes rápido y lento son 8 ° y 36 ° (FWHM) respectivamente. Después de ser colimado por la matriz de microlentes de eje rápido y lento, los ángulos de divergencia del haz colimado en las direcciones de los ejes rápido y lento son 2,3 mrad y 42,5 mrad respectivamente, y el punto de luz es de aproximadamente 10 mm × 0,6 mm. se convierte en un punto de luz de 1,2 mm × 5 mm. Utilizando una lente de enfoque con una distancia focal f=15 mm y una apertura D=6,35 mm para acoplarse a la fibra óptica multimodo con un diámetro de núcleo de. 800um y una apertura numérica de 0,22NA, la eficiencia de acoplamiento alcanza el 63,8%. La Figura 9 muestra la curva P-I del láser semiconductor de matriz de tiras y la curva P-I de la salida acoplada a fibra. La Figura 10 muestra el láser semiconductor acoplado a fibra real. La pérdida de potencia se debe principalmente a los siguientes aspectos: la eficiencia real medida es baja, en primer lugar, la energía de la envolvente de colimación es rápida, sólo el 90% en la dirección del eje lento, en segundo lugar, la pérdida de energía reflejada de cada lente representa aproximadamente 5 ~ 8; %; el frente de onda durante el proceso de conformación. Durante la segmentación y reordenamiento, la pérdida de borde es de aproximadamente 5 a 8 % finalmente, aproximadamente el 10 % de la energía se pierde debido a la reflexión y fuga en la cara final de la fibra de acoplamiento.