大功率激光二极管光束的矢量瑞利衍射光学通信

文摘

激光二极管(像)广泛用于光学无线通信(油水界面)和光纤网络,和适当的理论模型需要精确描述复杂梁的摩门教的领域。提出了一种新颖的数学模型来描述nonparaxial LD光束的矢量场。激光光束传播研究使用矢量瑞利衍射积分,和固定相的渐近展开方法用于找到衍射积分。LD光束的远场分布在平面上平行和垂直于结是细节,和计算强度分布的理论与相应的测量。这个模型是精确的单一横向模型梁的摩门教和可以应用于描述LD梁在油水界面和光纤网络。

1。介绍

考虑到激光二极管(像)是有效的光源和易于集成,LD-enabled光学无线通信(油水界面)是一个新兴技术实现高度保密和高速点对点(PtP) vehicle-to-vehicle,白光通信中数据访问的链接(1- - - - - -6)、室内通信(7,8),水下通信(9- - - - - -11),和光纤网络12- - - - - -16]。

然而,摩门教的输出光束质量相对较差,如散光,远光灯不对称和大型光束发散度(17- - - - - -19),在许多应用程序中,需要和适当的理论模型精确描述像的光场分布。

激光传播的问题主要是通过近轴近似处理。然而,摩门教的输出方面非常小,光束发散和不对称的。严格的光场分布不能从近轴近似,计算和纵向组件应考虑光束传播方向。因此,矢量理论nonparaxial梁应该用于精确描述梁摩门教的领域。等模型,高斯函数(指数20.- - - - - -22],Hermite-Gaussian模型[23),nonparaxial衍射矢量高斯波(24,25),波飞机使用小光圈(26),传播LD光束的光学系统(27- - - - - -29日),和LD光束的偏振30.),是用来描述光束的摩门教的领域。然而,没有理论模型是用于所有情况下由于复杂梁摩门教的领域。因此,应该开发新模型来精确描述输出的摩门教的领域,这是本文的目的。

2。LD的电场矢量光束

考虑到横电模式通常在LD兴奋, 标识与组件 电场矢量的一束源线性偏振的飞机z= 0: 在哪里p和问有关摩门教的波导结构, 和 ,在这是摩门教的光束波长在活性层,d_x波导的宽度x方向,d_y波导的宽度y方向,是一个常数。

光束传播是由矢量瑞利衍射积分提供整个半空间内表达 。当飞机的边界条件z= 0,这个领域需要以下表格(24,26]: 在哪里 (矢量光束输出平面上), (是光束传播向量), 单位向量在吗x- - - - - -,y- - - - - -,z方向,分别 在这k是波数与波长有关吗通过 。用方程(4)方程(3)的收益率24,26]

我们扩大成一个系列,保持第一,二,三阶系列扩展(31日]: 在哪里 ,取代在方程(5由方程()6),和替换在方程(5) :

对于大型k( ), 快速振荡,如此快速的振荡范围的集成被积函数表明,平均约为零,除了靠近固定相。因此,固定相的渐近展开方法用于找到衍射积分。

相应的衍射近似积分(32]

为 ,和 为 。在哪里 在哪里和固定相点,我们有什么

让 我们找到了固定相点 和 , ,和 。

因此, 和 ,

用方程(13)- (16)方程(7)的收益率

方程(17)代表向量理论的表达式nonparaxial LD光束。

可以由强度资料 和总强度可以表示为

LD光束的强度可以调查在两个垂直的平面。在垂直于结平面(即,y= 0),如图1的替换y= 0到方程(19)的收益率

在平面上平行于结(也就是,x= 0),如图1、总强度可以表示如下:

3所示。实验的程序

实验进行研究的理论结果使用三个大功率摩门教(USHIO HL63391DC,东芝TOLD9441MC、和USHIO HL63290HD)。参数如表所示1。

如图2激光束的强度资料通过针孔扫描测量(半径是100μ米)和一个光电二极管(LSGSPD-UL0.25 0.25毫米可见光PIN光电二极管的波长500 - 880纳米,和活跃的直径0.25毫米)背后的黑洞。光电二极管已经沿着直线平行于摩门教的输出方面的芯片x- - - - - -z和y- - - - - -z飞机,z= 50毫米。测量的不确定度小于1%。

图3显示了测量和理论束HL63391DC概要文件,和强度曲线理论的同意在大多数部分实验数据。图4显示了TOLD9441MC的光强度的概要文件。计算资料大多数部分的实验数据吻合较好,除了地区低强度的差异值x- - - - - -z飞机。同意理论曲线与实验数据y- - - - - -z飞机。图5HL63290HD显示了光强度资料,这个LD的理论和测量的差异大于HL63391DC和TOLD9441MC因为只有单横模存在于HL63391DC TOLD9441MC,而在HL63290HD multitransverse模式存在。因此,后者的输出光场更为复杂,两叶的形状强度出现在y- - - - - -z飞机,理论曲线不符合测量。

与之前的模型相比LD梁,包括Hermite-Gaussian模型(23),高斯模型(25,27,28),椭圆高斯模型(24,29日),和负指数高斯模型(22,30.小说),输出模型 在这篇文章中是单一横向模型梁更精确。对矢量的计算瑞利衍射积分,我们扩大成一系列通过保持第一,第二,第三系列扩张。计算使光束的衍射积分分布有大量散度更为可靠与前两个相比本文扩展(24,26]。

4所示。结论

的小说理论模型nonparaxial矢量提出了大功率摩门教的领域,和光束参数与结构摩门教的波导。高阶衍射积分的近似计算向量的基础上瑞利衍射积分,田野被认为是平行和垂直的光束传播方向,和三个大功率摩门教的光束的光束强度测量。的数学模型提供了一个良好的适合单一横向模型梁的试验数据摩门教。该数学模型可以用来描述的光束传播和形状像在油水界面和光纤网络。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(61975158)和航空科学基金(20180181)。

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