【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 于陣列半導(dǎo)體激光器快軸準(zhǔn)直研究”進(jìn)行了分析，以此為基礎(chǔ)，研制了耦合光學(xué)系統(tǒng)，采用直徑柱面透鏡準(zhǔn)直后，陣列半導(dǎo)體激光器快軸方向發(fā)散角可減小到，系統(tǒng)準(zhǔn)直耦合效率達(dá)到89%以上。同年，西安電子科技大學(xué)對(duì)“大功率半導(dǎo)體激光整形技術(shù)”進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)了一種新型的stack型半導(dǎo)體激光束整形器件。該器件對(duì)光束發(fā)散進(jìn)行壓縮，得到7mm7mm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%。2006年，西安電子科技大學(xué)物理學(xué)院，對(duì)“半導(dǎo)體激光器遠(yuǎn)軸光束的準(zhǔn)直特性”進(jìn)行了研究，根據(jù)瑞利索末菲衍射公式，利用穩(wěn)相法得出了半導(dǎo)體激光器遠(yuǎn)軸光束經(jīng)過(guò)透鏡準(zhǔn)直后的場(chǎng)分布解析表達(dá)式。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。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)室，研究了“用于半導(dǎo)體激光器的棱鏡組光束整形方法”,隨著半導(dǎo)體激光器應(yīng)用的日益廣泛，半導(dǎo)體激光的光束質(zhì)量在二維方向極不均衡的特點(diǎn)限制了它的應(yīng)用范圍。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。實(shí)驗(yàn)中整形后快慢軸的光束質(zhì)量比較接近，整形效率達(dá)到90%。經(jīng)過(guò)整形的半導(dǎo)體激光器可以作為高功率固體激光器和光纖激光器的抽運(yùn)源使用。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)。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。第二章：主要介紹半導(dǎo)體激光器的基本工作原理及器件構(gòu)造。第三章：主要分析半導(dǎo)體激光器的光束準(zhǔn)直理論。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。第五章：全文總結(jié)。概述本文的主要工作，并對(duì)下一步的發(fā)展提出建議。1．5 本章小結(jié)本章介紹了進(jìn)行“基于980nm半導(dǎo)體激光器光束準(zhǔn)直系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”選題的目的和研究意義。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。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。 受激輻射在物質(zhì)的原子中，存在許多能級(jí)，最低能級(jí)稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的能級(jí)Ei(i=2, 3, 4 …)稱為激發(fā)態(tài)。在正常狀態(tài)下，電子處于低能級(jí)，在入射光作用下，它會(huì)吸收光子的能量躍遷到高能級(jí)上，這種躍遷稱為受激吸收。電子躍遷后，在低能級(jí)留下相同數(shù)目的空穴。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)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。電子在和兩個(gè)能級(jí)之間躍遷，吸收的光子能量或輻射的光子能量都要滿足波爾條件： （）其中，為普朗克常數(shù)，為吸收或輻射的光子頻率。在半導(dǎo)體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態(tài)擴(kuò)展成能級(jí)連續(xù)分布的能帶。能量低的能帶稱為價(jià)帶，能量高的能帶稱為導(dǎo)帶。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： （）其中k為波茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。稱為費(fèi)米能級(jí)。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。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。這就是激光作用的基本原理。 實(shí)現(xiàn)條件就基本原理而論，半導(dǎo)體激光器和其它類型的激光器沒(méi)有根本的區(qū)別，即都是基于受激輻射。要使激光器得到相干的、受激光輸出，須滿足兩個(gè)條件，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件與閾值條件。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)。達(dá)到這一條件，有源工作物質(zhì)就具有增益。實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體中的反轉(zhuǎn)分布，最有效的方法是由價(jià)帶的電子激發(fā)到導(dǎo)帶形成大量的電子空穴對(duì)實(shí)現(xiàn)。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)。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)。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。 閾值條件是充分條件，它要求粒子數(shù)必須反轉(zhuǎn)到一定程度，即達(dá)到由于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的增益能克服有源介質(zhì)的內(nèi)部損耗和輸出損耗(激光器的輸出對(duì)有源介質(zhì)來(lái)說(shuō)也是一種損耗)，此后增益介質(zhì)就具有凈增益。閾值條件為： ()其中為閾值增益系數(shù)，a為諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)，L為諧振腔的長(zhǎng)度，、1為兩個(gè)反射鏡的反射率。 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)。下面將要介紹幾個(gè)典型的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)。 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器（1）雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(DH)這種結(jié)構(gòu)識(shí)將有源層加在同時(shí)具有寬帶隙和低折射率的兩種半導(dǎo)體材料之間，以便在垂直于結(jié)平面方向有效地限制載流子與光子。1970年基于此結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了GaAlAs／。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)。，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。同時(shí)，窄帶隙有源區(qū)有高的折射率，與兩邊低折射率的寬帶隙層構(gòu)成了一個(gè)限制光子在有源區(qū)內(nèi)的介質(zhì)光波導(dǎo)。 雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)成功地解決了在垂直于結(jié)平面方向?qū)d流子和光子的限制問(wèn)題。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。（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。最早的條型激光器是采用電極條形或質(zhì)子轟擊條形，在平行結(jié)平面方向的光學(xué)限制是所謂的“增益波導(dǎo)”。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。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。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)。折射率波導(dǎo)充分體現(xiàn)了條形結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，已成為半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)形式，已廣泛用于CD唱機(jī)，激光打印和光纖通信系統(tǒng)中。 量子阱半導(dǎo)體激光器。超過(guò)此值后Jth隨著有源層厚度的增加而線性增加，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。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。盡管在最佳的有源層厚度下，異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘和光波導(dǎo)效應(yīng)對(duì)有源層中的電子和光子有較好的限制能力，但它們?nèi)蕴幵诤裼性磪^(qū)中狀況，即電子仍具有三個(gè)自由度。 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)。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。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。如果窄帶隙與寬帶隙超薄層交替生長(zhǎng)就能構(gòu)成多量子阱(MQW)。 在MQW中如果各阱之間的如果的電子波函數(shù)發(fā)生一定程度的交疊或耦合，則這樣的MQW也就是超晶格就猶如在晶體中微觀粒子做周期有序排列一樣。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。 表面發(fā)射激光器 平面腔表面發(fā)射激光器（(a) 光柵耦合(b)450鏡結(jié)構(gòu)），相對(duì)于一般的端面發(fā)射半導(dǎo)體激光器而言，光從垂直于結(jié)平面的表面發(fā)射已構(gòu)成半導(dǎo)體激光器的另一種基本結(jié)構(gòu)。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。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)稱的遠(yuǎn)場(chǎng)特性。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。一種結(jié)構(gòu)是采取布喇格光柵從有源區(qū)耦合出激光，(a)所示。另一種結(jié)構(gòu)是通過(guò)微加工技術(shù)在有源層的一端制成45o反射面鏡，反射光從表面輸出，通過(guò)控制該面鏡的反射率來(lái)控制激光振蕩強(qiáng)度，(b)所示。這類平面腔結(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。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。由于受腔長(zhǎng)限制也難以獲得二維列陣，因此這類平面腔結(jié)構(gòu)的表面發(fā)射激光器很難獲得實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。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。（2）可注入激勵(lì)。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。理論上，半導(dǎo)體激光器的內(nèi)量子效率可接近100%。（3）室溫下可連續(xù)震蕩。（4）覆蓋的波段范圍最廣?？梢酝ㄟ^(guò)選用不同的半導(dǎo)體激光器有源材料或改變多元化合物半導(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。（5）增益帶寬寬。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。（6）具有直接調(diào)制的能力。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。（7）相干性高。用單橫模的激光器可以得到空間上相干性高的輸出光。（8）能產(chǎn)生超短光脈沖。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。（9）可批量生產(chǎn)。（10）可靠性高，使用壽命最長(zhǎng)。（11）可單片集成化?？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。缺點(diǎn)：（1） 溫度特性差。工作特性與溫度有顯著關(guān)系，環(huán)境溫度變化可引起激射。（2） 頻率、閾值電流、輸出光功率等變化。（3） 容易產(chǎn)生噪聲。（4） 輸出光發(fā)散。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。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)。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