【導(dǎo)讀】到了非常廣泛的應(yīng)用。角和平行于結(jié)平面方向的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角相差較大。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。必要設(shè)計(jì)出更加合理和可行的結(jié)構(gòu)。

　　

【正文】 的曲柱面，且凸面向前，設(shè)為 1S 面， 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)。 對(duì)于后透鏡的設(shè)計(jì)，由于后透鏡主要是對(duì)弧矢面光線進(jìn)行準(zhǔn)直，透鏡后表面設(shè)為曲面 2S ，曲面方程由弧矢面光線計(jì)算確定，弧矢面光線如圖 。 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 第 26 頁(yè) 共 34 頁(yè) 描述。 根據(jù)幾何光學(xué)和幾何關(guān)系可得 ： ?? s ins in 100 nn ? （ ） 022 c os ?? sdL ?? （ ） ?tan22 hdLs ?? （ ） 由費(fèi)馬定律可得 ： ? ? ? ? ? ? ? ?21121022110210 c o s c o s ddnllfnsddnllfn ??????????? ?? （ ） 對(duì)曲面 2S 運(yùn)用費(fèi)馬定律，同時(shí)假設(shè)曲面左側(cè)為單一玻璃介質(zhì)，右側(cè)為空氣介質(zhì)。 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 ????? ?? 。且 //O 點(diǎn) 位于清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 27 頁(yè) 共 34 頁(yè) 橢圓的左焦點(diǎn)處。 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。 ZEMAX 是將實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念、優(yōu)化、分析、公差以及報(bào)表集成在一起的一套綜合性的光學(xué)設(shè)計(jì)仿真軟件，具有上手容易 ， 功能強(qiáng)大 的特點(diǎn)， 基本可以滿足光學(xué)設(shè)計(jì)要求。故本次設(shè) 計(jì)選用 ZEMAX 軟件。 ZEMAX 是美國(guó) Focus Software 公司所開發(fā)出的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，可做光學(xué)組件設(shè)計(jì)與照明系統(tǒng)的照度分析，也可建立反射，折射，繞射等光學(xué)模型 [16] ，是套可以運(yùn)算Sequential 及 NonSequential 的軟件。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）。 ZEMAX 軟件仿真 此次設(shè)計(jì) 利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件 ZEMAX 對(duì) 準(zhǔn)直 系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。 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 。 980nm 半導(dǎo)體激光器基本參數(shù)如表 。 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。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， 決定 所采用的 結(jié)構(gòu) 參數(shù) 如表 所示，柱透鏡相關(guān)參數(shù)如表 所示。 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 。 圖 柱透鏡的橫截面聚焦示意圖 激光束通過(guò)單柱透鏡的點(diǎn)列圖如圖 ： 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 29 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖 單柱透鏡點(diǎn)列圖 激光束通過(guò)透鏡組合 的點(diǎn)列圖如圖 ： 圖 正交柱透鏡點(diǎn)列圖 在系統(tǒng)焦平面上的光斑能量分布圖如圖 ， 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。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 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。 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 和弧矢面上的光線進(jìn)行了嚴(yán)格的計(jì)算仿真。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 。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 31 頁(yè) 共 34 頁(yè) 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。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。 （ 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)。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 。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。 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。 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。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。 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)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。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 32 頁(yè) 共 34 頁(yè) 參 考 文 獻(xiàn) [1] 黃德修，劉雪峰 .半導(dǎo)體激光器及其應(yīng)用 .國(guó)防工業(yè)出版社 .1999:239. [2] 崔碧峰，李建軍，廉鵬等 .新型多有源區(qū)高效大功率 980 nm 半導(dǎo)體 激光器 .2020全國(guó)光電子器件與集成技術(shù)會(huì)議論文集 .桂林， 2020:275～ 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)，2020 [4] 杜寶勛 .半導(dǎo)體激光器原理 .兵器工業(yè)出版社 .2020:216. [5] DavidLS, beam ,2020,42(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， 2020，31 (11)： 13051311 [7] Alda and Gaussian beam propagation and trans for mation in Encyclopedia of Optical Engineering,2020,4(3):9991013 [8] 夏秀蘭，龔正烈 .半導(dǎo)體激光器光束的準(zhǔn)直 [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)，2020， 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)，2020， 26(6)： 851～ 863 [11] 葉錦函 ， 郝曉劍 ， 周漢昌 .基于 532nm 半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)距離傳輸準(zhǔn)直實(shí)驗(yàn)分析 .現(xiàn)代儀器， 2020,5:37 [12] 蕭澤新．工程光學(xué)設(shè)計(jì)．北京：電子工業(yè)出版社， 2020， 815 [13] Shealy D opticsbased design of ,2020， 42(11)： 31233138 [14] 李曉彤，岑兆豐．幾何光學(xué)像差光學(xué)設(shè)計(jì)．浙江：浙江大學(xué)出版社， 2020，151160 [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， 2020， 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， 2020，23(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)， 2020,3： 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 33 頁(yè) 共 34 頁(yè) [18] 陳穎，楊華軍．半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)直的菲涅耳透鏡優(yōu)化設(shè)計(jì) .電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2020， 32 (2)： 129132 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 34 頁(yè) 共 34 頁(yè) 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 。 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、視野開闊，為我營(yíng)造了一種良好的精神氛圍。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)。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。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)用到工作當(dāng)中去。 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 。 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。 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 ！