【正文】 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％，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。對(duì)于堆積式半導(dǎo)體激光器，異性棱鏡式一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、高效的光束整形元件。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。這對(duì)許多重要應(yīng)用，如醫(yī)療等場(chǎng)合是非常有價(jià)值的。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(lèi)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。4 半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)4．1 準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本次設(shè)計(jì)是對(duì)980nm半導(dǎo)體激光器光束的準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)，發(fā)光光源采用穩(wěn)定腔的980nm半導(dǎo)體激光器。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。 半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束在子午面和弧矢面的發(fā)散特性是不同的，在子午面激光束的發(fā)散角度在范圍內(nèi)變化，在弧矢面激光束的發(fā)散角度在范圍內(nèi)變化。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。由于柱透鏡只對(duì)垂直于柱面鏡軸線方向的光束壓縮發(fā)散角，而對(duì)與軸線方向平行的光束沒(méi)有壓縮發(fā)散角的作用，因此，兩個(gè)半柱透鏡相互垂直放置可以分別準(zhǔn)直半導(dǎo)體激光器兩個(gè)方向的發(fā)散角。 垂直雙半圓柱透鏡準(zhǔn)直效果圖。 準(zhǔn)直系統(tǒng)示意圖系統(tǒng)由相互正交的柱透鏡(均為平凸透鏡)組成。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。對(duì)于前透鏡的設(shè)計(jì)，由以上理論分析可將準(zhǔn)直透鏡前表面設(shè)計(jì)為一平行于 xy面的曲柱面，且凸面向前，設(shè)為面。 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： （）其中，，且點(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，曲面方程由弧矢面光線計(jì)算確定。 準(zhǔn)直系統(tǒng)弧矢面光路圖在子午面，透鏡等價(jià)為一個(gè)折射率為平板玻璃。根據(jù)幾何光學(xué)和幾何關(guān)系可得： （） （） （）由費(fèi)馬定律可得： （）對(duì)曲面運(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： （）聯(lián)立（）至（），可推導(dǎo)出： （） （） （）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），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)移至點(diǎn)，可得橢圓方程為: ()由式()可知橢圓參數(shù)。且點(diǎn)位于橢圓的左焦點(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(kāi)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，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(zhuān)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的非序列模式下進(jìn)行仿真分析。 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nm光纖數(shù)值孔徑0．2NA輸出功率500W譜線寬度5nm纖維芯400功率轉(zhuǎn)換效率35%快軸發(fā)散角芯折射率閾值電流10A慢軸發(fā)散角光纖連接器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，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。 準(zhǔn)直系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)（單位：mm） 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16mm1。 柱透鏡的橫截面聚焦示意圖： 單柱透鏡點(diǎn)列圖： 正交柱透鏡點(diǎn)列圖，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。 焦平面能量分布圖 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。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。 參 考 文 獻(xiàn)[1] 黃德修，:239.[2] 崔碧峰，李建軍， ，2001:275～278.[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)，2006[4] :216.[5] DavidLS, beam ,2003,42(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，2004，31 (11)：13051311[7] Alda and 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(2)：129132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(xiě)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(kāi)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(xiě)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(méi)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！第 35 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