FRED应用：激光二极管的模拟

简介

当提及模拟激光二极管时，FRED软件具有极大的灵活性。在这篇应用笔记中，将会描述简单到详细的激光光源模型。最基本的模型是高斯TEM0,0模。更高级的模型包括在束腰上偏移和发散中的像散光束。激光也可以使用其M2因子表示。最后，可以创建一个任意混合模的激光。该模式可以选择任意TEM模的高斯分布（Hermite, Laguerre, Laguerre Cosine, 及 Laguerre Sine）

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例1.高斯00模
“激光光束（高斯00模）”光源由一个准直的光线网格组成，通过切趾，可以具备在束腰处的高斯00辐照度分布。该光源具有非常低的发散角度。注意到如果选择的网格尺寸小于光束尺寸，光束将会被截断和并会遇到衍射现象，就好像被一个圆孔挡住一样。

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图1.简易激光光束（高斯00模）规格

例2.像散高斯光束
“像散高斯光束”光源提供了一个更加实际的模型。大多数半导体激光遭受像散：束腰的x和y分量沿轴位移。在折射率型波导中的激光器，位移一般是2-8µm。在增益型波导中的激光器中，位移一般约为40µm。通过指定x和y的发散角和焦点的距离，可以模拟像散。该光源类型也允许光线在离束腰某些距离处产生，以获得更大的精度。

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图2.简易像散高斯光束规格

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图3 发散的像散激光光源的光线追迹示意图，沿着：x-z轴（左），y-z轴（中）和透视图（右）。发散角在x方向是5°，在y方向是15°。焦点分开了0.5个单位。

例3.激光二极管光束

激光二极管光束是一种更新和更准确的像散型发散激光源模型。激光用x和y方向发散角和焦点的位置指定。此外，发散角的准确含义可以根据不同的半宽和全宽来说明。这种激光模型也对相干光传输更精确的模拟进行了Gabor合成。

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图4.简易激光半导体光束规格

例4.M平方激光束
“M平方激光束”光源类型基于其M2因子模拟一个激光，，也被称为光束质量或光束传播因子。M2最小的可能值是1，这会指定一个高斯TEM00光束。M2的更大值表明在光束中高阶模的混合。为了确定在FRED中创建的M2光束的模式组成，在树上右键点击源“detail report”，然后选择Detailed Analysis。

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图5.左：简易的M平方激光光束规格。右：指定的M2激光光源中的模式分布。

混合模，高阶模
当一个激光不具备足够的空间滤波时（限制孔径大于最低阶模式半径），多模光束就会产生。因此，多重模式在激光谐振腔中产生。为了模拟一个具有特定模式分布的激光，多个光源可以分配给每个TEM模式。这需要Detailed Optical Source类型来创建这一模式，首先通过选择光源位置的一个六边形或网格平面来建立，然后设置高斯切趾。切趾允许的规格有：x和y的半宽、横向偏移、模式数目（m, n）和模式类型（Hermite, Laguerre, Laguerre Cosine, Laguerre Sine）。几个TEM模式的辐照度分布如图6所示。混合模的例子如图7所示。

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图6.在FRED中模拟的不同高斯TEM模的辐照度分布

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图7.由TEM0,0, TEM2,1和 TEM2,3模组成的混合模的辐照度分布，功率分配为[1:0.5:0.25]。TEM2,1和TEM2,3模也有轻微的轴向偏移。

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