【正文】 ?????? ?????? ????? 10 量子阱半導(dǎo)體激光器???????????? ??????????? 11 表面發(fā)射激光器??????????????????????? 13 半導(dǎo)體激光器的優(yōu)缺點(diǎn)????????? ?????????????? 13 本章小結(jié)?????????????? ????????????? ? ? 14 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 II 頁(yè) 共 II 頁(yè) 3 半導(dǎo)體激光器的光束準(zhǔn)直理論?????????? ??????????? 15 半導(dǎo)體激光器的光束特性????????? ????????????? 15 高斯光束的基本理論???????? ???????????????? 15 激光束準(zhǔn)直系統(tǒng)介紹???????????????????????? 16 圓柱透鏡 系統(tǒng)????????? ????????????????? 16 非球面柱透鏡準(zhǔn)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(dǎo)體激光器準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)?????????? ???????????? 23 準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案???????????? ????????????? 23 準(zhǔn)直設(shè)計(jì)優(yōu)化仿真?????????????? ??????????? 27 光學(xué)設(shè)計(jì)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(xiàn)???????????????? ???????? ???? ??? 32 致謝 ??????????????? ?????? ? ?? ???? ? ? ?? 34清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 1 頁(yè) 共 34 頁(yè) 1 緒論 自從 1962 年第一臺(tái)半導(dǎo)體激光器發(fā)明以來(lái) ，經(jīng)歷 40多年的發(fā)展，半導(dǎo)體激光器以自身的優(yōu)勢(shì)，極大地推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，是二十世紀(jì)人類(lèi)最偉大的發(fā)明之一。 1． 2 980nm 半導(dǎo)體激光器 的 發(fā)展 及其 應(yīng)用 980nm 大 功率半導(dǎo)體激光器是在上世紀(jì) 90 年代初隨著量子阱材料生長(zhǎng)技術(shù)的成熟發(fā)展起來(lái)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(dāng)代超晶格微結(jié)構(gòu)理論和超晶格生長(zhǎng)技術(shù)發(fā)展的一次成功應(yīng)用。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(shí)用價(jià)值。在幾年內(nèi)，從遠(yuǎn)紫外到遠(yuǎn)紅外的一個(gè)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。 (2)產(chǎn)品二 整個(gè)模塊包括激光器、熱敏電阻、制冷器和探測(cè)器。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。 由于國(guó)內(nèi)對(duì)功率型半導(dǎo)體激光器的需求增加，國(guó)內(nèi)從 2020 年初就開(kāi)始了 980nm 泵浦源半導(dǎo)體激光器的研制工作，主要研制單位是中科院半導(dǎo)體研究所和武漢郵電科學(xué)研究院。工作溫度只能在 C75~C50 oo 。由于摻鉺光纖放大器其全光纖特點(diǎn)，便于和光纖通訊系統(tǒng)連接，使其成為光放大器的主選器件。內(nèi)窺鏡輸出方式已經(jīng)成為醫(yī)療用半導(dǎo)體激光器的普遍功率輸出方式，對(duì)于某些特定工作波長(zhǎng)的高功率半導(dǎo)體激光器，光動(dòng)力學(xué)治療己經(jīng)成為癌癥治療的一種重要手段，這是因?yàn)橛卸喾N化學(xué)成分在 630770nm波段有光敏行為，利用腫瘤細(xì)胞中存 在的這些化學(xué)成分，采用激光激發(fā)以后可以有選擇性地殺傷腫瘤細(xì)胞 [2] 。 準(zhǔn)直技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向 激光束準(zhǔn)直系統(tǒng)是光 電 系統(tǒng)中一個(gè)重要的組成部分，其目的是要壓縮光束的發(fā)散角，并縮小子午方向和弧矢方向發(fā)散角之間的差距，使得激光器輸出的橢圓光斑整形為圓對(duì)稱(chēng)光斑。 2020 年，重慶師范學(xué)院對(duì)“圓柱透鏡對(duì)半導(dǎo)體激光束準(zhǔn)直性能的改進(jìn)”進(jìn)行了理論研究，仔細(xì)分析了半導(dǎo)體激光器快軸方向發(fā)散光束通過(guò)圓柱透鏡后的準(zhǔn)直特性、光強(qiáng)分布和光能轉(zhuǎn)換效率與圓柱透鏡的半徑、介質(zhì)折射率、介質(zhì)損耗、安裝距離等可調(diào)參數(shù)以及界面反射的關(guān)系。同年，西安電子科技大學(xué)物理學(xué)院還對(duì)“雙半圓柱透鏡準(zhǔn)直半導(dǎo)體激光光束”進(jìn)行了研究，理論上可將激光束 快軸方向發(fā)散角壓縮到 的量級(jí)。 第三章 ： 主要 分析 半導(dǎo)體激光器的光束準(zhǔn)直理論 。在正常狀態(tài)下，電子處于低能級(jí) 1E ，在入射光作用下，它會(huì)吸收光子的能量躍遷到高能級(jí) 2E 上，這種躍遷稱(chēng)為受激吸收。 高能級(jí)占有的電子數(shù)比低能級(jí)的電子數(shù)少，因此總的來(lái)說(shuō)光被吸收。 在半導(dǎo)體 PN 結(jié)上 施加正向電壓 ， 產(chǎn)生與內(nèi)部電場(chǎng)相反方向的外加電場(chǎng)，結(jié)果能帶傾斜減小，擴(kuò)散增強(qiáng) [4] 。 1970 年基于此結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了 GaAlAs／GaAs 激射波長(zhǎng)為 ? m 的半導(dǎo)體激光器在室溫下連續(xù)工作。 實(shí)質(zhì)上，它只是限制電流流經(jīng)的通道，這種限制不可避免地存在注入電流的側(cè)向擴(kuò)展和注入載流子的側(cè)向擴(kuò)散。 圖 雙異質(zhì)結(jié)激光器中的 Jth與有源層厚度的關(guān)系 60 年代末期，貝爾實(shí)驗(yàn)室的江畸 (Esaki)和朱肇祥首 先提出，當(dāng)所生長(zhǎng)的晶體厚度薄到半導(dǎo)體中電子的德布羅意波長(zhǎng) (約為 10nm)或電子平均自由程量級(jí) (約為 50nm)時(shí)，這種超薄層晶體中的電子與塊狀晶體中的電子有完全不同的性質(zhì)，即出現(xiàn)量子尺寸效應(yīng)。 從 70 年代末期發(fā)展起來(lái)的這種激光器越來(lái)越顯示出它的優(yōu)越性。 2． 3 半導(dǎo)體激光器的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)： （ 1）體積小、重量輕 、價(jià)格便宜。在這個(gè)范圍內(nèi)可以任意選擇激射波長(zhǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn) 寬帶光放大器。 （ 10）可靠性高，使用壽命最長(zhǎng)。 輸出光由端面以放射形式發(fā)出成為發(fā)散光，要獲得平行光必須要有外部透鏡。 3． 2 高斯 光束 的基本 理論 激光是一種光線束，它的幅射照 度 (或光強(qiáng) )的分布是呈高斯型的，因此稱(chēng)之高斯光束。 3． 3 激光束 準(zhǔn)直系統(tǒng)介紹 圓柱透鏡系統(tǒng) 為了提高半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量，常采用以一段低數(shù)值 孔徑的光纖作為圓柱透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光快軸方向光束的準(zhǔn)直是一種容易實(shí)現(xiàn)、價(jià)格低廉且能滿足多種使用要求的方法。 在盡量減小出射光束發(fā)散角的目標(biāo)下，分別來(lái)討論 A、 B的取值。 設(shè)透鏡折射率為 n，空氣 折射率為 1， 利用折射定律以及幾何關(guān)系，可以得到： sinα=nsinα` () Sinβ=nsinβ` () α`+β`=β () 聯(lián)立方程可以解得： β=arcsin(sinα/n)+arcsin(sinβ/n) () 在此基礎(chǔ)上，非球面透鏡的其他幾何參數(shù)就可以相應(yīng)求得，通常是采用數(shù)值模擬或近似的方法。系統(tǒng)大功率的耦合效率為 67％。 圖 兩組棱鏡光束整形 其 中，一種典型的方法是通過(guò)兩組棱鏡來(lái)分割和重排 LDA 光束。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 21 頁(yè) 共 34 頁(yè) 這種方法只要將每一片棱鏡對(duì)準(zhǔn)一個(gè)發(fā)光源，就可消除 LDA 不連續(xù)對(duì)光束質(zhì)量的影響，比較成功地解決了光束整形的質(zhì)量問(wèn)題。 x4=x3+d2 () y4y3=(x4x3)tanθ3 () 其中， d2為出射面到接收器的距離， θ3 為 (x3,y3)處的折射角， sinθ3 =nsinθ2。 半導(dǎo)體激光器是通過(guò)矩形狀有源區(qū)進(jìn)行發(fā)出光束，所以激光束在遠(yuǎn)場(chǎng)的形狀是橢圓光斑 [12] ， 如圖 。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 25 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖 準(zhǔn)直系統(tǒng) 子午 面光路圖 曲面方程由子午面光線計(jì)算確定，曲面方程為 ： 1bz212221011?????????? xannln （ ） 其中0101 nn lna ?? ，01012 nn ?? nnlb ，011 nne? ， 且 ?O 點(diǎn)是雙曲線另一支一側(cè)的焦點(diǎn)。故本次設(shè) 計(jì)選用 ZEMAX 軟件。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 28 頁(yè) 共 34 頁(yè) 表 準(zhǔn)直系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)（單位： mm） 1l 1a 1b 1d 2l 2d 表 柱 透鏡參數(shù) 數(shù)值孔徑 焦距 弧矢發(fā)散角 子午發(fā)散角 固有象散 空氣折射率 玻璃折射率 16mm o9 o28 m?50 1 此時(shí)激光束通過(guò)準(zhǔn)直 系統(tǒng)的 聚焦示意圖 如圖 。采用相互正交的非球面柱透鏡組作為設(shè)計(jì)模型，用計(jì)算機(jī)仿真為平臺(tái)，采用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件 ZEMAX 對(duì)其進(jìn)行了 仿真 。像差 感謝評(píng) 閱論文的各位老師！感謝參加論文答辯的答辯委員會(huì)主席、教授。置身其間，潛移默 化，使我在思考方式、研究方法上都有了全新的認(rèn)識(shí)。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(guò)特殊的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)直。仿真分析結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的準(zhǔn)直系統(tǒng)能有效壓縮半導(dǎo)體激光光束快、慢軸發(fā)散角， 形成圓形光斑， 有效提高了激光器光束質(zhì)量 。 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 [17] 下進(jìn)行仿真分析 。 有 ： ? ? ? ?2120221 c o s dLnsnsdLn ???? ? （ ） 聯(lián)立 （ ）至 （ ），可推導(dǎo)出： 102021t a ns innnhdnhdnL????????????? ?? （ ） ? ?? ??? c os 010120 nn nndL ?? （ ） ? ??? c os 220 sdL ?? （ ） 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 MN 的反向延長(zhǎng)線與光軸夾角 [15] ）， 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 ?O 點(diǎn)，可得橢圓方程為 : ? ? ? ?? ? ? ? 1nnz01012220112211010?????????????????????????? ?????nnnndLynndLnldlLdLn () 由式 ()可知橢圓參數(shù) ? ? ? ?102010120112 ,, nnenn nndLbnn dLna ????? ?? 。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 24 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖 垂直雙半圓柱透鏡準(zhǔn)直效果圖 半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)直整形系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖 。通過(guò)適當(dāng)選擇棱鏡的結(jié)構(gòu)參量，可以在輸出像面上得到較均勻的光斑。 圖 異型棱鏡光束整形原理分析 第二步，對(duì)于大發(fā)散角的光線，在棱鏡側(cè)面 (x2， y2)處發(fā)生全反射，反射光線相對(duì)清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 22 頁(yè) 共 34 頁(yè) 于光軸的夾角受到壓縮 ： y2y1=(x2x1)tanθ1 () y2H1=(x2x1)tanα () 其中， H1為入射面的寬度， H2為出射面的寬度， α是斜面的傾角，滿足： Tanα=(H2H1)/ L () 其中，工為棱鏡的長(zhǎng)度。第 1個(gè)棱鏡組把出射光束沿慢方向分割成一組光束段，這組光束從棱鏡組斜邊入射，入射表面的線光源與棱鏡組的內(nèi)表面成一定的角度，在各片棱鏡中 反射兩次后從斜邊出射，并沿著慢軸方向被分成很多段，由于棱鏡片有錯(cuò)位，所以出射光束段也順次產(chǎn)生錯(cuò)位。但由于從 LD 出射光的模式與光纖的模式無(wú)清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第