【正文】 （）聯(lián)立（）至（），可推導(dǎo)出： （） （） （）由解析幾何可知, 式()為以Q點(diǎn)為極坐標(biāo)頂點(diǎn)（Q點(diǎn)為折射光線(xiàn)MN的反向延長(zhǎng)線(xiàn)與光軸夾角），z軸為極軸的橢圓極坐標(biāo)方程, 將其化為直角坐標(biāo)形式，且將坐標(biāo)原點(diǎn)移至點(diǎn)，可得橢圓方程為: ()由式()可知橢圓參數(shù)。故本次設(shè)計(jì)選用ZEMAX軟件。由于980nm半導(dǎo)體激光器的特殊性，以及所設(shè)計(jì)的準(zhǔn)直系統(tǒng)是由兩個(gè)相互正交的柱透鏡組成，故需要在ZEMAX的非序列模式下進(jìn)行仿真分析。 柱透鏡的橫截面聚焦示意圖： 單柱透鏡點(diǎn)列圖： 正交柱透鏡點(diǎn)列圖，激光束在遠(yuǎn)場(chǎng)的能量集中在中央的小區(qū)域，并且光斑的形狀近似為圓形光斑。5 全文總結(jié) 主要工作及結(jié)論（1）研究了以高斯光束為模型的半導(dǎo)體激光器光束變換特性，分析得出準(zhǔn)直系統(tǒng)到初始光腰的距離、兩透鏡曲率半徑、厚度以及折射率的大小對(duì)系統(tǒng)準(zhǔn)直性能都有一定影響。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有良好的準(zhǔn)直效果，可將初始光腰為 的高斯光束準(zhǔn)直為發(fā)散角小于 的光束，有效提高了激光器光束質(zhì)量。相對(duì)于現(xiàn)今各種各樣的這對(duì)于半導(dǎo)體光器的準(zhǔn)直整形技術(shù)而言，柱透鏡因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料便宜以及加工容易而在半導(dǎo)體激光束準(zhǔn)直領(lǐng)域獲得較多的應(yīng)用，但普通的圓柱透鏡其準(zhǔn)直能力非常有限，為了能更好地利用柱透鏡在光束準(zhǔn)直領(lǐng)域的作用，設(shè)計(jì)出更加合理的結(jié)構(gòu)是目前在這一方面研究的主要方向之一。光學(xué)設(shè)計(jì)．浙江：浙江大學(xué)出版社，2003，151160[15] 劉鈞，高明．光學(xué)設(shè)計(jì)．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006，6～21[16] 王成良，李湘寧，賀莉清．應(yīng)用ZEMAX軟件構(gòu)造特殊面型．光學(xué)儀器，2001，23(3)：2326[17] 葉錦函，郝曉劍，周漢昌．基于ZEMAX的激光光束整形技術(shù)試驗(yàn)研究．工程與實(shí)驗(yàn)，2010,3：[18] 陳穎，楊華軍．，2003，32 (2)：129132致謝首先，衷心感謝我的指導(dǎo)老師，郝教授和江老師，在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)的撰寫(xiě)過(guò)程中，老師們都給予了我悉心的指導(dǎo)和嚴(yán)格的要求，從論文的選題到結(jié)束論文的所有工作都是在老師的悉心指導(dǎo)和直接關(guān)懷下完成的，自始至終傾注了導(dǎo)師的無(wú)數(shù)心血。在本文的選題、方案的設(shè)計(jì)與論證以及后來(lái)論文撰寫(xiě)的全過(guò)程中，我明白了很多東西，積累了許多的經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)的知識(shí)，并在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，充分的應(yīng)用，使我了解了平時(shí)沒(méi)有機(jī)會(huì)接觸到的許多儀器設(shè)備的工作原理以及使用方法，發(fā)現(xiàn)了自己有很多不足之處。最后，再次向所有曾經(jīng)關(guān)心和幫助過(guò)我的老師、同學(xué)以及親友致以最誠(chéng)摯的謝意！第 35 頁(yè) 共34頁(yè)。感謝四年來(lái)與我朝夕相處的所有同學(xué)們，感謝他們?cè)谖业膶W(xué)習(xí)生活中給予我無(wú)私的幫助，感謝他們與我一起分享大學(xué)生活的點(diǎn)點(diǎn)滴滴。在畢業(yè)設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程中，老師們思想深邃、視野開(kāi)闊，為我營(yíng)造了一種良好的精神氛圍。 參 考 文 獻(xiàn)[1] 黃德修，:239.[2] 崔碧峰，李建軍， ，2001:275～278.[3] 馬華．半導(dǎo)體激光束準(zhǔn)直技術(shù)研究．碩士學(xué)位論文．西安：西安電子科技大學(xué)，2006[4] :216.[5] DavidLS, beam ,2003,42(11):30773079[6] 梁一平，戴特力．圓柱透鏡對(duì)半導(dǎo)體激光光束準(zhǔn)之性能的改進(jìn)．中國(guó)激光，2004，31 (11)：13051311[7] Alda and Gaussian beam propagation and trans for mation in Encyclopedia of Optical Engineering,2003,4(3):9991013[8] 夏秀蘭，[J].光電子激光，1996，7 (5):283.[9] 潘圓圓，崔瑞禎，陳剛．用于半導(dǎo)體激光器的棱鏡組光束整形方法．激光技術(shù)，2006，30(4)：370376[10] 董洪舟，石順祥，李家立．半導(dǎo)體激光器遠(yuǎn)軸光束的準(zhǔn)直特性研究．光學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26(6)：851～863[11] 葉錦函，郝曉劍，2010,5:37[12] 蕭澤新．工程光學(xué)設(shè)計(jì)．北京：電子工業(yè)出版社，2002，815[13] Shealy D opticsbased design of ,2003，42(11)：31233138[14] 李曉彤，岑兆豐．幾何光學(xué)由于半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得它發(fā)出的光束在垂直于結(jié)平面方向上遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角和平行于結(jié)平面方向的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角相差較大。（2）根據(jù)幾何光學(xué)基本原理，針對(duì)半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)直系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。4．3 本章小結(jié)本章根據(jù)幾何光學(xué)基本原理，對(duì)于980nm半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)了采用相互正交的柱透鏡組作為設(shè)計(jì)模型，并對(duì)入射和出射兩個(gè)非球面進(jìn)行了推導(dǎo)，對(duì)子午面和弧矢面上的光線(xiàn)進(jìn)行了嚴(yán)格的計(jì)算仿真。在設(shè)計(jì)理論最小發(fā)散角度所用透鏡參數(shù)的基礎(chǔ)上。版本等級(jí)有SE：標(biāo)準(zhǔn)版，XE：完整版，EE：專(zhuān)業(yè)版（可運(yùn)算NonSequential）。4．2 準(zhǔn)直設(shè)計(jì)優(yōu)化仿真 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件目前市面上主要的光學(xué)輔助軟件有：ZEMAX、TracePro、ASAP、LightTools、CODEV、OSLO。 準(zhǔn)直系統(tǒng)弧矢面光路圖在子午面，透鏡等價(jià)為一個(gè)折射率為平板玻璃。其中第一柱透鏡主要實(shí)現(xiàn)對(duì)快軸方向光線(xiàn)的準(zhǔn)直，第二柱透鏡主要實(shí)現(xiàn)對(duì)慢軸方向光線(xiàn)的準(zhǔn)直。針對(duì)這一特征，對(duì)激光束的子午面和弧矢面分別進(jìn)行準(zhǔn)直。3．4 本章小結(jié) 本章從半導(dǎo)體激光器的光束特性出發(fā)，以高斯光束為模型，分析了高斯光束經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)變換的傳輸特性，并簡(jiǎn)單介紹了幾類(lèi)常見(jiàn)的準(zhǔn)直系統(tǒng)，對(duì)半導(dǎo)體激光器的準(zhǔn)直系統(tǒng)有初步了解。改器件又經(jīng)改進(jìn)，將輸出面設(shè)計(jì)成平面，得到了7mm*7mm的均勻光斑，光強(qiáng)起伏小于5％，在這個(gè)范圍內(nèi)的光能量占總輻射能量的77％，與異性棱鏡的性能進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩棱鏡的性能相差不大，但由于這種新器件兩端面都是平面，所以其結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，應(yīng)用更加方便，有著重要的利用價(jià)值。全反射光線(xiàn)經(jīng)出射面(x3,y3)處折射后出射．選擇適當(dāng)?shù)膮⒘烤涂色@得所需形狀的高亮度勻強(qiáng)分布的光斑。 異型棱鏡器件用光線(xiàn)追跡法來(lái)說(shuō)明光束經(jīng)異形棱鏡變換的機(jī)理，可分為兩步，這里以垂直于結(jié)平面的剖面為例加以討論。結(jié)果從LDA出射的光被整形成一個(gè)光斑，兩個(gè)方向上的M2因子相近。棱鏡組把LDA的出射光束沿慢方向分割，并沿快方向重新排列，從而改善了M2因子．既用到了棱鏡的反射也用到了折射特性。其整形思想利用由棱鏡組組成的光束整形器中的棱鏡組的折反射將LDA光束在慢方向上按照微鏡尺寸分成許多段后在快方向重排，結(jié)果光束的M2因子在慢方向上被減小n倍，而快方向上增加n倍。(4)通過(guò)面陣列或?qū)蝹€(gè)LDA的光纖耦合系統(tǒng)的輸出端面再捆綁在一起達(dá)到高功率的目的，但是這樣并不能提高泵浦光的亮度。光纖線(xiàn)陣是由114根裸光纖構(gòu)成，其纖芯直徑為80m，這樣，即使得10mm*。同時(shí)，由于非球面柱透鏡的曲面方程難以確定，加之非球面鏡加工困難，使得這一方法在廣泛使用上受到一定的限制。 非球面柱透鏡準(zhǔn)直光路 非球面柱透鏡準(zhǔn)直光路分析圖考慮光路的對(duì)稱(chēng)性所以只考慮上半部分光路。在實(shí)際的應(yīng)用中，我們認(rèn)為使用圓柱透鏡準(zhǔn)直半導(dǎo)體激光束的方法是簡(jiǎn)單易行的，在要求不是很高的情況下，基本可以滿(mǎn)足準(zhǔn)直的要求，比如當(dāng)快軸方向發(fā)散的半角寬為時(shí)，準(zhǔn)直后的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散半角可達(dá)。利用幾何光學(xué)的知識(shí)，經(jīng)過(guò)光路推到可以得到最終發(fā)散角和入射角的關(guān)系為： （） 其中n=n1/n0,sinθ`=(1/n)sinθ=(K/n)sinα。由于入射光束發(fā)散角較大不能滿(mǎn)足近軸條件，圓柱透鏡又存在球差，必然影響到出射光束的準(zhǔn)直性好光強(qiáng)分布等。高斯光束在自由空間傳播時(shí)是由束腰逐漸向兩邊發(fā)散的,發(fā)散程度用發(fā)散角θ0來(lái)衡量,其定義為: （）如果高斯光束在空間傳輸時(shí)遇到透鏡,光束參數(shù)就要改變。對(duì)于半導(dǎo)體激光器這類(lèi)高斯輸出型激光器，以高斯光束為模型，對(duì)激光器的輸出光束進(jìn)行計(jì)算研究，能準(zhǔn)確地反映光束的傳輸變化情況。（a）在垂直于結(jié)平面方向，光束的束腰在激光器的解理面上，（b）,在平行于結(jié)平面方向，光束的束腰位于激光發(fā)射腔內(nèi)，因此這兩個(gè)方向上的光束的束腰是彼此分離的，即具有簡(jiǎn)單像散性。2．4 本章小結(jié)本章主要通過(guò)介紹半導(dǎo)體激光器的基本原理的，初步了解了半導(dǎo)體激光器的工作原理，簡(jiǎn)單介紹了幾個(gè)典型的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，最后總結(jié)出半導(dǎo)體激光器與其他激光器相比的優(yōu)缺點(diǎn)。（2） 頻率、閾值電流、輸出光功率等變化。（11）可單片集成化。（8）能產(chǎn)生超短光脈沖。（6）具有直接調(diào)制的能力。（4）覆蓋的波段范圍最廣。（2）可注入激勵(lì)。這類(lèi)平面腔結(jié)構(gòu)只是簡(jiǎn)單地變半導(dǎo)體激光器的端面輸出為表面輸出，很難得到無(wú)像散的高質(zhì)量光束；由于受腔長(zhǎng)的限制，不可能從表面得到輸出功率一致的二維列陣激光源。最早考慮表面發(fā)射是基于這種發(fā)射方式便于制成二維列陣、容易得到有利于與光纖高效率耦合的圓對(duì)稱(chēng)的遠(yuǎn)場(chǎng)特性。量子阱結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器，其閾值電流可以達(dá)到亞毫安級(jí)，調(diào)制帶寬達(dá)數(shù)10GHz。量子阱半導(dǎo)體激光器正是利用這種量子尺寸效應(yīng)工作的。超過(guò)此值后Jth隨著有源層厚度的增加而線(xiàn)性增加，這是因?yàn)殡S著有源層厚度的增加，載流子的擴(kuò)散減少了在同樣注入電流下注入有源區(qū)的載流子濃度或注入電流密度，這也等效于減弱了異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘對(duì)載流子的限制能力。增益波導(dǎo)對(duì)光場(chǎng)的側(cè)向滲透實(shí)際上沒(méi)有限制作用，其所謂光波導(dǎo)作用只是相對(duì)于損耗而出現(xiàn)的光的凈增益區(qū)域。針對(duì)有源區(qū)的載流子和光子在平行結(jié)平面方向的限制問(wèn)題，研究人員提出了條形結(jié)構(gòu)，這是半導(dǎo)體激光器發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑。在此以GaAs半導(dǎo)體激光器為例說(shuō)明半導(dǎo)體激光器的基本原理和結(jié)構(gòu)。 半導(dǎo)體激光器的器件結(jié)構(gòu)圍繞著不斷提高半導(dǎo)體激光器的性能以滿(mǎn)足日益增漲的應(yīng)用，已發(fā)展了許多半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)。電子運(yùn)動(dòng)方向與電場(chǎng)方向相反，便使N區(qū)的電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，P區(qū)的空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，最后在PN結(jié)形成一個(gè)特殊的增益區(qū)。粒子束反轉(zhuǎn)條件是必要條件，它意味著處于高能態(tài)的粒子(如半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的電子)數(shù)多于低能態(tài)的粒子數(shù)。但是若給系統(tǒng)提供能量實(shí)現(xiàn)分布反轉(zhuǎn)則產(chǎn)生凈的光輻射而獲得光放大。能量低的能帶稱(chēng)為價(jià)帶，能量高的能帶稱(chēng)為導(dǎo)帶。電子躍遷后，在低能級(jí)留下相同數(shù)目的空穴。并簡(jiǎn)單介紹了980nm半導(dǎo)體激光器目前國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用，主要針對(duì)激光束的準(zhǔn)直技術(shù)發(fā)展和國(guó)內(nèi)外研究成果進(jìn)行了概述性的介紹。第四章：運(yùn)用幾何光學(xué)基本定理針對(duì)半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)直系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)，對(duì)其進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬。1．4 本論文主要工作本論文利用幾何光學(xué)的知識(shí)，基于光線(xiàn)光學(xué)理論和利用柱透鏡對(duì)半導(dǎo)體激光器光束準(zhǔn)直的理論分析，運(yùn)用ZEMAX軟件進(jìn)行準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)。清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系光子與電子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)