【正文】 光束準(zhǔn)直領(lǐng)域獲得較多的應(yīng)用，但普通的柱透鏡其準(zhǔn)直能力非常有限，為了提高柱透鏡的光束準(zhǔn)直能力，就有必要設(shè)計(jì)出更加合理和可行的結(jié)構(gòu)。它的應(yīng)用幾乎覆蓋了整個(gè)光電子學(xué)領(lǐng)域，成為當(dāng)今光電子學(xué)的核心技術(shù)之一。 因此 設(shè)計(jì)一種實(shí)用 的大功率 半導(dǎo)體激光器光束準(zhǔn)直 系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義 。 1953 年，美國(guó) John Von Neumann 在一片未發(fā)表的論文手稿中第一個(gè)論述了在半導(dǎo)體中產(chǎn)生受激發(fā)射的可能性，認(rèn)為可以通過(guò)想 PN 結(jié)注入少數(shù)載流子來(lái)實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射，計(jì)算了在兩個(gè)布里淵區(qū)之間的輻射躍遷速率。 1962 年，美國(guó)研究小組宣布獲得了第一個(gè)實(shí)用的在低溫下工作的半導(dǎo)體激光器 。 1967 年， IBM 公司的 Woodall 成功的用液態(tài)外延生長(zhǎng)技術(shù)，制成了 GaAsGaAlAs單異質(zhì)結(jié)激光器，一反過(guò)去用擴(kuò)散法形成同質(zhì) PN 結(jié)的慣例，并且使得閾值電流下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)。為改善半導(dǎo)體激光器的工作特性，在對(duì)注入有源區(qū)的載流子和其內(nèi)輻射復(fù)合所產(chǎn)生的光子進(jìn)行了限制，研究了多元固溶體形成良好結(jié)晶的外延生長(zhǎng)辦法。從 20世紀(jì) 70 年代末開(kāi)始，半導(dǎo)體激光器明顯向著兩個(gè)方向發(fā)展，一類是以傳遞信息為目的清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 3 頁(yè) 共 34 頁(yè) 的信息型激光器，另一類是以提高光功率為目的的功率型激光器。其有源區(qū)采用 InGaAs 單量子阱，壘層采用 GaAsP材料，激光器芯片采用 MOCVD生長(zhǎng)。工作溫度在 C75~C20 oo 范圍。 2020 年德國(guó)光器件制造商 Lumics 推出改進(jìn)型的 980nm 光纖光柵半導(dǎo)體激光器LU975M300。 2020 年 3月 19 呂，美國(guó) JDSU公司推出兩款高性能 980nm 半導(dǎo)體激光器，主要應(yīng)用到 EOFA模塊上。并且 JDSU 推出新一代芯片具有低的閩值電流23mA；高的轉(zhuǎn)換效率 0． 9W／ A；高的 kink— free 功率 l1W 和更優(yōu)的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射角．垂直發(fā)射 o16 。采取的技術(shù)途徑與 Bookham 公司的方案基本一致。但是只是組裝，沒(méi)有管芯生產(chǎn) 能力。 長(zhǎng)春理工大學(xué)的高功率半導(dǎo)體激光國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室近幾年開(kāi)始從管芯制作到器件封裝進(jìn)行 980nm泵浦源半導(dǎo)體激光器研究。 980nm 半導(dǎo)體激光器的主要應(yīng)用 980nm 半導(dǎo)體激光器具有更低的閡值電流密度和高的微分量子效率，功耗??；溫度依賴關(guān)系 弱 ；對(duì)摻鉺光纖具有高的泵浦效率；噪音系數(shù) 低等特點(diǎn)，因此，它 是摻鉺光纖放大器 (Erbium DopedFiberAmplifier，簡(jiǎn)稱 EDFA)的最理想泵浦源。 高速印刷是大功率半導(dǎo)體激光器另一個(gè)有較大發(fā)展空間的應(yīng)用領(lǐng)域，傳統(tǒng)的印刷主要采用鹵素?zé)艄庠矗粌H不利于環(huán)境保護(hù)，也不適用現(xiàn)代的高分辨率圖象的印刷，半導(dǎo)體激光器由于其價(jià)格及性能和可靠性方面的諸多優(yōu)勢(shì)，使得其會(huì)在傳統(tǒng)的印刷業(yè)得到廣泛應(yīng)用。 在醫(yī)療領(lǐng)域，半導(dǎo)體激光器作為熱源主要應(yīng)用于脫毛及外科中的組織切除與燒蝕手術(shù)。并且也證明， 980nm波長(zhǎng)比 800nm 波長(zhǎng)更容易被水分子吸收，組織穿透深度小，能量更集中，對(duì)周圍組織損傷小，還具有很好的凝固止血效果。 目前，己經(jīng)有許多技術(shù)或方案被應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室或生產(chǎn)領(lǐng)域并取得一定的效果，但是，所有這些技術(shù)或方案都存在這樣或那樣的問(wèn)題，比如：有些技術(shù)整形效果很好但器件的加工卻非常困難從而限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用；而有些 技術(shù)，雖然加工容易、取材方便，但其整形效果卻不太理想。 國(guó)外方面： 2020 年，德國(guó)耶拿激光二極管公司對(duì)一種改進(jìn)的面陣激光整形系統(tǒng) 進(jìn)行了研究。 2020 年，德國(guó) Fraunhofer 應(yīng)用光學(xué)與精密機(jī)械研究中心對(duì)半導(dǎo)體激光高亮度光纖耦合進(jìn)行了研究。中國(guó)科 學(xué)院光電技術(shù)研究所微細(xì)加工光學(xué)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器陣列光束光纖耦合進(jìn)行了研究，給出了激光束準(zhǔn)直、整形、聚焦及耦合的高功率半導(dǎo)體的光纖耦合方法，其耦合效率大于 53%。該器件對(duì)光束發(fā)散進(jìn)行壓縮，得到7mm 7mm 的正方形均勻光斑，并且光強(qiáng)起伏小于 5%，在此范圍內(nèi)光能量占總的輻射能量的 77%。采用一種等腰直角棱鏡組的整形方法，可實(shí)現(xiàn)二維方向的光束質(zhì)量均勻化 [3] 。 圍繞上述主題思想，本文的具體章節(jié)安排如下： 第一章： 對(duì) 本論文的選題目的 及 研究意義 做簡(jiǎn)單介紹。 第 五 章：全文總結(jié)。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 9 頁(yè) 共 34 頁(yè) 2 半導(dǎo)體激光器 2． 1 半導(dǎo)體激光器 的基本 原理 半導(dǎo)體激光器是利用半導(dǎo)體中的電子光躍遷引起光 子 受 激輻射而產(chǎn)生的光振蕩器和光放大器的總稱。在高能級(jí) E2 的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級(jí) 1E 上與空穴復(fù)合，釋放的能量產(chǎn)生光輻射，這種躍遷稱為受激輻射。 依照量子理論，在 熱平衡狀態(tài)下 電子按能量分布遵從 費(fèi) 米 狄拉克 分布 ： ? ??????? ???TEEke x p11Epf （ ） 其中 k 為波茲曼常數(shù)， T為熱力學(xué)溫度。這就是激光作用的基本原理。達(dá)到這一條件，有源工作物質(zhì)就具有增益。增 益區(qū)的導(dǎo)帶主要是電子，價(jià)帶主要是空穴，結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。下面將要介紹幾個(gè)典型的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)概略如圖 所示，在正向偏壓下，電子和空穴分別從寬帶隙的 N 區(qū)和 P 區(qū)注入有源區(qū)．它們?cè)谠搮^(qū)的擴(kuò)散又分別受到PP 異質(zhì)結(jié)和 PN 異質(zhì)結(jié)的限制，從而可以在有源區(qū)內(nèi)積累起產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所需的非平衡載流子濃度。 （ 2） 條形激光器 條形結(jié)構(gòu)是激光器的閾值電流大幅降低 ， 改善了近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng) ， 縱模與橫模特性，提高了器件的可靠性。依照在橫向利用有源層與兩邊限制層折射率之差所形成的強(qiáng)的光波導(dǎo)效應(yīng)，在平行結(jié)平面方向也設(shè)計(jì)了類似的折射率波導(dǎo)。而過(guò)薄的有源層厚度會(huì)因?yàn)楣鈭?chǎng)滲透逸散致使異質(zhì)結(jié)波導(dǎo)能力減弱，使較多的光子損耗與有源層之外，閾值電流密度增加。量子阱是窄帶隙超薄層被夾在兩個(gè)寬帶隙勢(shì)壘薄層之間。量子阱電吸收調(diào)制器的調(diào)制帶寬可以在 10GHz 以上，而量子阱雪崩光電二極管的增益帶寬積可達(dá) 700Hz以上。最初采取相通常雙異質(zhì)結(jié)類似的結(jié)構(gòu)，光子振蕩方向平行于襯底，因而稱為平面腔。況且，布喇格光柵反射光束的方向隨波長(zhǎng)變化，而 45o 面鏡結(jié)構(gòu)輸出光束質(zhì)量取決于該鏡的位置、方位和平整度。 半導(dǎo)體激光器是直接的電子 光子轉(zhuǎn)換器，因而它的轉(zhuǎn)換效率很高?？梢酝ㄟ^(guò)選用不同的半導(dǎo)體激光器有源材料或改變多清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 14 頁(yè) 共 34 頁(yè) 元化合物半導(dǎo)體各組員的組分，而得到范圍很廣的激射波長(zhǎng)以滿足不同需要。 把信號(hào)重疊在驅(qū)動(dòng)電流上，在直流到 GHz 波段的寬頻范圍內(nèi)，可以調(diào)制振蕩強(qiáng)度、相位和頻率。采用增益開(kāi)關(guān)和鎖模等方法，以簡(jiǎn)單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就能獲得從 ns 到 ps 的超短光脈沖?？梢院凸馓綔y(cè)器、光調(diào)制器和電子電路元件集成在一個(gè)陳地上，得到高性能的單片集成器件。 （ 3） 容易產(chǎn)生噪聲。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 15 頁(yè) 共 34 頁(yè) 3 半導(dǎo)體激光器 的 光束準(zhǔn)直 理論 半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量非常差，所以在半導(dǎo)體激光器的實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)其光束的準(zhǔn)直以提高其光束質(zhì)量是一件非常重要的事情，這也是本文的主要工作。 （ a）垂直于結(jié)平面方向的光束 （ b）平行于結(jié)平面方向的光束 圖 激光器輸出光束模型 對(duì)于一個(gè)發(fā)射極而言，由于在平行面方向發(fā)光區(qū)尺寸很大， 大約為 m?500~100 (具體數(shù)值由輸出功率決定 )， 此方向激光器不再會(huì)是處于基橫模工作狀態(tài)，在遠(yuǎn)場(chǎng)一般表現(xiàn)為雙峰結(jié)構(gòu)。 由于透鏡的變換作用只改變相 位 而不改變光強(qiáng)的分布，因此高斯光束經(jīng)透鏡變換后仍保持高斯光束的形式。分析可得，入射光束的束腰在透鏡的前焦面上，經(jīng)簡(jiǎn)透鏡變換后的束腰在透鏡的后焦面上，并且其腰斑達(dá)到極大值 [5] 。由于入射光束發(fā)散角較大不能滿足近軸條件，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。 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： ? ?? ? ? ? ? ?? ? ????? **n*nK*K*1*n*n*n3 11n21` ??? nnnnKKnn （ ） 其中 n=n1/n0,sinθ`=(1/n)sinθ=(K/n)sinα。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，基本可以滿足準(zhǔn)直的要求，比如當(dāng)快軸方向發(fā)散的半角寬為 o30 時(shí)，準(zhǔn)直后的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散半角可達(dá) [6] 。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 18 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖 非球面柱透鏡準(zhǔn)直光路 圖 非球面柱透鏡準(zhǔn)直光路分析圖 考慮光路的對(duì)稱性所以只考慮上半部分光路。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。 光纖線陣是由 114 根裸光纖構(gòu)成，其纖芯直徑為 80? m，數(shù)值孔徑 ，最后排成的光纖束直徑為 ，這樣，即使得 10mm*l ? m 的長(zhǎng)方向光斑轉(zhuǎn)化為直徑為 的圓形光斑 [8] 。 (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。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，原理如圖 。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。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 [9] 。 圖 異型棱鏡器件 用光線追跡法來(lái)說(shuō)明光束經(jīng)異形棱鏡變換的機(jī)理 [10] ，可分為兩步，這里以垂直于結(jié)平面的剖面為例加以討論。全反射光線經(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。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％ [1] ，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。 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。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。其中第一柱透鏡主要實(shí)現(xiàn)對(duì)快軸方向光線的準(zhǔn)直，第二柱透鏡主要實(shí)現(xiàn)對(duì)慢軸方向光線的準(zhǔn)直 。 圖 準(zhǔn)直系統(tǒng)弧矢面光路圖 在子午面，透鏡 1S 等價(jià)為一個(gè)折射率為 1n 平板玻璃，對(duì)透鏡 2S 的等效光路如圖 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 26 頁(yè) 共 34 頁(yè) 描述。 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。版本等級(jí)有 SE：標(biāo)準(zhǔn)版， XE：完整版， EE：專業(yè)版（可運(yùn)算 NonSequential）。 表 980nm半導(dǎo)體激光器參數(shù) 光學(xué)參數(shù) 光纖參數(shù) 電氣參數(shù) 中心波長(zhǎng)公差 3? nm 光纖數(shù)值孔徑 0． 2NA 輸出功率 500W 譜線寬度 5nm 纖維芯 400 m? 功率轉(zhuǎn)換效率 35% 快軸發(fā)散角 o28 芯折射率 閾值電流 10A 慢軸發(fā)散角 o9 光纖連接器 QBH 工作電流 60A 斜率效率 7 工作電壓 22V 在非序列模式下，首先對(duì) 相互正交 的圓柱透鏡 組合陣列進(jìn)行三維仿真設(shè)計(jì)，仿真的激光源采用 Source diode，發(fā)光源的數(shù)目為 6[18] ，準(zhǔn)直透鏡材料為 BK7。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 30 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖 焦平面能量分布圖 可以確定光束通過(guò)透鏡后的發(fā)散角為 mrad，并且所成的像為一 圓 形光斑，達(dá)到了壓縮發(fā)散角 ， 準(zhǔn)直 光束的目的。適當(dāng)調(diào)整以上各結(jié)構(gòu)參量，能有效提高準(zhǔn)直系統(tǒng)的準(zhǔn)直效果。 工作展望 半導(dǎo)體激光器在軍事、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等許多方面有著重要的應(yīng)用前景。 光學(xué)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在高精度激光準(zhǔn)直設(shè)計(jì)中，具有接近衍射極限的準(zhǔn)直效果，盡可能小的像差和小型化設(shè)計(jì)是我們?cè)O(shè)計(jì)中力求達(dá)到的目標(biāo)，怎樣有效的將三者結(jié)合設(shè)計(jì)生產(chǎn)出最好的準(zhǔn)直系統(tǒng)，有待于下一步進(jìn)行更深入的研究。 郝 老師淵博的學(xué)識(shí)， 極其敏銳的科學(xué)洞察力， 嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，踏實(shí)的工作作風(fēng)，以及認(rèn)真負(fù)責(zé)、關(guān)心學(xué)生的育人理念， 令我敬佩不已， 將在我以后的工作和生活中起到積極而深遠(yuǎn)的影響。在設(shè)計(jì)中了解到了知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合的重要性，促使我以后能更全面的掌握所學(xué)知識(shí)，并能很好的應(yīng)用到工作