FRED案例 | 激光二极管光源建模

FRED在模拟激光二极管时具有极大的灵活性，能够提供从简单到详细的多种激光光源模型。其中，最基本的模型为高斯TEM00模，更高级的模型包括束腰偏移与发散的像散光束、基于M²因子的激光模型，以及任意混合模激光；混合模可选择任意TEM模的高斯分布，包括Hermite、Laguerre、Laguerre Cosine及Laguerre Sine。

“激光光束（高斯00模）”光源由准直光线网格组成，通过切趾可在束腰处形成高斯00辐照度分布，发散角非常低。需注意，若所选网格尺寸小于光束尺寸，光束会被截断并产生衍射，如同被圆孔遮挡。

“像散高斯光束”光源提供了更实际的模型。多数半导体激光存在像散：束腰的x和y分量沿轴位移。折射率型波导激光器的位移一般为2至8微米，增益型波导激光器约为40微米。通过指定x和y方向的发散角与焦点距离即可模拟像散，该光源类型还允许光线在离束腰一定距离处产生，以获得更高精度。

激光二极管光束是更新且更准确的像散型发散激光源模型。激光用x和y方向发散角及焦点位置指定，发散角的准确含义可按半宽或全宽说明。该模型还对相干光传输采用Gabor合成，实现更精确的模拟。

“M平方激光束”光源基于M²因子模拟激光，M²也称光束质量或光束传播因子。M²最小可能值为1，对应高斯TEM00光束；更大值表示光束中混合了高阶模。要确定FRED中创建的M²光束的模式组成，可右键点击光源选择“detail report”，再选择Detailed Analysis。

当激光空间滤波不足（限制孔径大于最低阶模式半径）时，谐振腔中会产生多模光束。为模拟具有特定模式分布的激光，可为每个TEM模式分配多个光源。

这需要使用Detailed Optical Source类型：先选择光源位置处的六边形或网格平面，再设置高斯切趾。切趾可指定x和y半宽、横向偏移、模式数目（m, n）及模式类型。多个TEM模式的辐照度分布及混合模示例如下。

FRED为激光二极管建模提供了从高斯00模、像散高斯光束、激光二极管光束、M²激光束到任意混合模的完整光源模型体系，用户可根据仿真精度需求灵活选择。