【正文】 還與國外有明顯的差距，在壽命和可靠性方面還有很大的不足，目前達到的 980nm 光纖光柵半導體激光器的輸出功率為幾十毫瓦量級。工作溫度只能在 C75~C50 oo 。 5nm，尾纖輸出功率約 80mW，壽命約 50000 小時。 由于國內(nèi)對功率型半導體激光器的需求增加，國內(nèi)從 2020 年初就開始了 980nm 泵浦源半導體激光器的研制工作，主要研制單位是中科院半導體研究所和武漢郵電科學研究院。另外一款 2945清華 大學 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 4 頁 共 34 頁 系列 980nm 半導體激光器的功耗相比以往產(chǎn)品降低了 20％，該激光器可以產(chǎn)生 400mW光功率，內(nèi)部工作溫度控制在 45攝氏度。該器件采用 14 針蝶形低截面封裝 (30X15 2X78m)，內(nèi)置致冷器，典型輸出功率 330mW，配合康寧 HI 1060 單模光纖和 FBG。 2020 年 9 月報道了 sMohrdiek 等人 獲得 980nm 波長光纖光柵半導體激光器輸出功率達到 550mW。 (2)產(chǎn)品二 整個模塊包括激光器、熱敏電阻、制冷器和探測器。 980nm 半導體激光器的 研究狀況 目前國際上研制、生產(chǎn)高功率 980nm 光纖光柵外腔半導體激光器的公司主要有：Boekham、 JDSU(SDL)、 Lumics、 AgilentTechnologies、 Furukawa、 Qphotonics、 B1ueSky Research 等。在幾年內(nèi)，從遠紫外到遠紅外的一個廣闊波段范圍內(nèi)探索了不少能產(chǎn)生受激光發(fā)射的材料。 1970 年，美國的 Hayashi 和 Panish 報道了雙異質(zhì)結(jié)半導體激光器的閾值電流密度又降低了一個數(shù)量級，這標志著半導體激光器進入了第三個發(fā)展階段 —— 雙異質(zhì)結(jié) 注入型半導體激光器。受激輻射的閾值電流密度特別高，因此只能在液態(tài)氮和脈沖狀態(tài)工作，缺乏實用價值。 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 2 頁 共 34 頁 1958 年， Pierre Aigrain 在布魯塞爾的一次國際會議上的發(fā)言中，第一個公開發(fā)表了在半導體中得到相干光的觀點。 1． 2 980nm 半導體激光器 的 發(fā)展 及其 應(yīng)用 980nm 大 功率半導體激光器是在上世紀 90 年代初隨著量子阱材料生長技術(shù)的成熟發(fā)展起來的新型器件，采用 InGaAs 應(yīng)變層量子阱結(jié)構(gòu)作為有源區(qū) [1] ， 是當代超晶格微結(jié)構(gòu)理論和超晶格生長技術(shù)發(fā)展的一次成功應(yīng)用。由于半導體激光器具有易于調(diào)制、重量輕、體積小、發(fā)射功率大等優(yōu)點，常將其作為通信系統(tǒng)中基本的光源。 關(guān)鍵字： 半導體激光器， 光束 準直， 柱透鏡 ，高斯光束 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 Based on the 980nm semiconductor laser beam collimation system design Abstract： Owing to its pactness， lightness,and low cost,semiconductor laser play an important role as coherent source in various fields of technology such as military,industry and medicine use and so on. However,the output beam quality of semiconductor laser is poor． Because of the waveguide properties of their active areas,semiconductor lasers generate large divergenceangle beams with alliptically shaped intensity the beam of semiconductor laser has ,the output beam must be collimated by optical systems in most practical work. Because of simple structure and easy fabricating， the cylindrical lenses have been used in many practical applications for beam collimating of semiconductor lasers. In this paper, Based on the cylindrical lens for semiconductor laser beam collimation theory analysis, Design of orthogonal cylindrical lens group as a design model, The 980nm semiconductor laser beam collimation,and using the ZEMAX software to the design of each part of the system of collimating and shaping effects simulation. Key words： Semiconductor Laser,Beam collimation, Cylindrical lens, Gaussian beam 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 I 頁 共 II 頁 目 錄 1 緒論 ?????????????? ?? ?????? ??????? ??? 1 選題目的及意義 ??? ??????? ???? ?????????? ? ? 1 980nm 半導體激光器的發(fā)展及其應(yīng)用 ? ???????? ?? ???? ? ? 1 半導體激光器發(fā)展史???????????? ?????? ?? ? ?? 1 980nm半導體激光器的研究狀況 ???? ???? ??? ? ????? ? ? 3 980nm 半導體激光器的主要應(yīng)用????????? ?????????? 4 準直技術(shù)的意義與研究???? ?? ??? ??? ???????? ? ?? 5 半導體激光器光束準直的意義 ????????? ?????????? 5 準直技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向 ???????? ?????????? 6 本論文主要工作 ??????????????????????????? 7 本章小結(jié) ??????????????? ??????????????? 8 2 半導體激光器????????? ??????????????????? 9 半導體激光器的基本原理?????????? ????????????? 9 受激輻射????????? ???????????????????? 9 實現(xiàn)條件 ??? ????????? ?? ??????????????? 9 半導體激光器的器件結(jié)構(gòu)???????? ???????????? ?? 10 異質(zhì)結(jié)半導體激光器???????????? ?????? ????? 10 量子阱半導體激光器???????????? ??????????? 11 表面發(fā)射激光器??????????????????????? 13 半導體激光器的優(yōu)缺點????????? ?????????????? 13 本章小結(jié)?????????????? ????????????? ? ? 14 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 II 頁 共 II 頁 3 半導體激光器的光束準直理論?????????? ??????????? 15 半導體激光器的光束特性????????? ????????????? 15 高斯光束的基本理論???????? ???????????????? 15 激光束準直系統(tǒng)介紹???????????????????????? 16 圓柱透鏡 系統(tǒng)????????? ????????????????? 16 非球面柱透鏡準直系統(tǒng)????????????????????? 17 光纖耦合系統(tǒng)????????????? ??????????? ? ? 18 棱鏡組折反射光束整形?????????? ???????????? 20 異型棱 鏡光束整形??????????? ??????????? ? ? 21 本章小結(jié)?????????????????????????? ? ?? 22 4 半導體激光器準直系統(tǒng)設(shè)計?????????? ???????????? 23 準直系統(tǒng)設(shè)計方案???????????? ????????????? 23 準直設(shè)計優(yōu)化仿真?????????????? ??????????? 27 光學設(shè)計軟件????????????? ????????????? 27 ZEMAX 軟件仿真??? ?????????? ???????????? 27 本章小結(jié)??????????????? ????????????? 30 5 全文總結(jié)????????????????? ????????????? 31 主要工作及結(jié)論????????????? ????????????? 31 工作展望??????????????? ?????????????? 31 參考文獻???????????????? ???????? ???? ??? 32 致謝 ??????????????? ?????? ? ?? ???? ? ? ?? 34清華 大學 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 1 頁 共 34 頁 1 緒論 自從 1962 年第一臺半導體激光器發(fā)明以來 ，經(jīng)歷 40多年的發(fā)展，半導體激光器以自身的優(yōu)勢，極大地推動了科學技術(shù)的進步，是二十世紀人類最偉大的發(fā)明之一。 由于半導體激光器的結(jié)構(gòu)特點，使得它發(fā)出的光束在垂直于結(jié)平面方向上遠場發(fā)散角和平行于結(jié)平面方向的遠場發(fā)散角相差較大。所以在幾乎所有要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域中，其輸出光束都必須通過特殊的光學系統(tǒng)進行準直。近幾年來，隨著信息傳輸寬帶化、信息處理高速化、信息存儲大容量以及軍用裝備小型、高精度化的需求發(fā)展，半導體激光器的發(fā)展更為迅速，性能不斷提高，半導體激光器已成為世界上發(fā)展最快的激光技術(shù)之一。但是，由于半導體激光器的非對稱 光波導結(jié)構(gòu) ，使得發(fā)出的光束在相互垂直的兩個平面內(nèi)具有較大的發(fā)散角，遠場平行和垂直于結(jié)平面方向的發(fā)散角分別約 oo 30~10 和 oo 60~30 ，從而形成像散，并在遠場形成橢圓光斑 ,輸出光能量不集中 ,光強分布不均勻 ,這嚴重妨礙了大功率半導體激光器 的應(yīng)用。 半導體激光器 的 發(fā)展 史 半導體激光器經(jīng)歷了一個相當長的發(fā)展史后，正趨于成熟。 1961 年， 前蘇聯(lián) Basov 等人 最先公開發(fā)表 ：通過 pn 結(jié)注入的載流子復合，在半導體中能夠產(chǎn)生光子的受激輻射。 1963 年，美國 Kroemer 和蘇聯(lián)的 Alferov 提出把一個窄帶隙的半導體材料夾在兩個寬帶隙的半導體之間，希望在窄帶隙半導體中產(chǎn)生高效率的輻射復合。 在 19621970 期間，半導體激光器的研究工作主要集中在一下幾個方面： （ 1）圍繞著實現(xiàn) GaAs 注入半導體激光器在室溫下連續(xù)工作，對其結(jié)構(gòu)進行了深入的研究，異質(zhì)結(jié)構(gòu)是一大突破。 （ 3）為了使半導體 激光器得到實際應(yīng)用，對激光器的動態(tài)特性進行了研究。主要技術(shù)途徑有： (1)產(chǎn)品一 包括激光器、熱敏電阻、制冷器和探測器。有源區(qū)采用 InGaAs 單量子阱，激光器芯片采用 MBE 生長， 利用濕法腐蝕形成脊型波導 ，其達 到的主要技術(shù)指標是：在250mA 電流下輸出功率達到 lOOmW、閾值電流 30mA、中心波長 974nm、光譜寬度在13dB 下 為 。 2020 年 T． Pliska 等人報道了他獲得 980nm 波長光纖光柵半導 體激光器輸出功率800mW 的功率輸出。并推出 LU0980M200： 1lO～ 200mW 功率輸出， LU0980M330： 210～ 330mW 功率輸出。 JDSU同時還透露其 980nm 導體激光器故障幾率低于每十億小時五次故障 (5FIT)。他們兩個單位合作完成了一個國家“ 863項目。另外現(xiàn)在深圳飛通光子公司提供產(chǎn)品出售。采取的技術(shù)途徑也是采用楔型光纖透鏡直接耦合。所以研制該器件替代進口具有重大的實際意義。 它在軍事上也有許多應(yīng)用，如激光測距、激光干擾、目標定位、目標跟蹤、激光制導、淺海探障、甚至激光殺傷與破壞等，固體激光器技術(shù)已經(jīng)成為每個國家提高其國防清華 大學 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 5 頁 共 34 頁 科技水平急需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，而半導體激光器泵譜是固體激光器發(fā)展的一個重要方向，它與傳統(tǒng)的燈泵固體激光器相比，具有高的電光轉(zhuǎn)換效率，易于調(diào)制，功耗低、體積小、重量輕、安全性好、壽命，同時具有結(jié)構(gòu)更加緊湊、可