【正文】 束特性 由于半導(dǎo)體激光器的特殊 結(jié) 構(gòu)，造成了其光束與其他激光極為不同的遠(yuǎn)場(chǎng)特性。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 17 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖 圓柱透鏡準(zhǔn)直光路分析 如圖 所示，此為光路的橫截面的上半部分，其中已假定柱面透鏡的半徑為 r,外部環(huán)境的折射率為 n0,透鏡材料的折射率為 n1（ n1n0） 。在距離激光線陣出射面 倍微柱透鏡直徑處放置微柱透鏡，如 7? m，對(duì)其快軸的大發(fā)散角進(jìn)行壓縮。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。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。 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 ????? ?? 。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 。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)。像差 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 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 。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 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)。 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。 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。 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。 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。 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。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。 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。 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。 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] 。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，這種躍遷稱為受激吸收。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)。 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)稱光斑。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。 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。 (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。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。 關(guān)鍵字： 半導(dǎo)體激光器， 光束 準(zhǔn)直， 柱透鏡 ，高斯光束 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)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(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 I 頁(yè) 共 II 頁(yè) 目 錄 1 緒論 ?????????????? ?? ?????? ??????? ??? 1 選題目的及意義 ??? ??????? ???? ?????????? ? ? 1 980nm 半導(dǎo)體激光器的發(fā)展及其應(yīng)用 ? ???????? ?? ???? ? ? 1 半導(dǎo)體激光器發(fā)展史???????????? ?????? ?? ? ?? 1 980nm半導(dǎo)體激光器的研究狀況 ???? ???? ??? ? ????? ? ? 3 980nm 半導(dǎo)體激光器的主要應(yīng)用????????? ?????????? 4 準(zhǔn)直技術(shù)的意義與研究???? ?? ??? ??? ???????? ? ?? 5 半導(dǎo)體激光器光束準(zhǔn)直的意義 ????????? ?????????? 5 準(zhǔn)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(dǎo)體激光器????????? ??????????????????? 9 半導(dǎo)體激光器的基本原理?????????? ????????????? 9 受激輻射????????? ???????????????????? 9 實(shí)現(xiàn)條件 ??? ????????? ?? ??????????????? 9 半導(dǎo)體激光器的器件結(jié)構(gòu)???????? ???????????? ?? 10 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器???????????? ?????? ????? 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 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)???????