【正文】 感謝評 閱論文的各位老師！感謝參加論文答辯的答辯委員會主席、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識。像差所以在幾乎所有要求較高的應用領域中，其輸出光束都必須通過特殊的光學系統(tǒng)進行準直。采用相互正交的非球面柱透鏡組作為設計模型，用計算機仿真為平臺，采用光學設計軟件 ZEMAX 對其進行了 仿真 。仿真分析結(jié)果表明，設計的準直系統(tǒng)能有效壓縮半導體激光光束快、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 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 28 頁 共 34 頁 表 準直系統(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 此時激光束通過準直 系統(tǒng)的 聚焦示意圖 如圖 。 由于 980nm 半導體 激光器 的特殊性，以及 所設計的準直 系統(tǒng) 是由兩個 相互正交 的柱透鏡組成， 故 需要在 ZEMAX 的非序列模式 [17] 下進行仿真分析 。故本次設 計選用 ZEMAX 軟件。 有 ： ? ? ? ?2120221 c o s dLnsnsdLn ???? ? （ ） 聯(lián)立 （ ）至 （ ），可推導出： 102021t a ns innnhdnhdnL????????????? ?? （ ） ? ?? ??? c os 010120 nn nndL ?? （ ） ? ??? c os 220 sdL ?? （ ） 由解析幾何可知 , 式 ()為以 Q 點為極坐標頂點（ Q 點為折射光線 MN 的反向延長線與光軸夾角 [15] ）， z 軸為極軸的橢圓極坐標方程 , 將其化為直角坐標形式，且將坐標原點移至 ?O 點，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 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 25 頁 共 34 頁 圖 準直系統(tǒng) 子午 面光路圖 曲面方程由子午面光線計算確定，曲面方程為 ： 1bz212221011?????????? xannln （ ） 其中0101 nn lna ?? ，01012 nn ?? nnlb ，011 nne? ， 且 ?O 點是雙曲線另一支一側(cè)的焦點。 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 24 頁 共 34 頁 圖 垂直雙半圓柱透鏡準直效果圖 半導體激光器準直整形系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖 。 半導體激光器是通過矩形狀有源區(qū)進行發(fā)出光束，所以激光束在遠場的形狀是橢圓光斑 [12] ， 如圖 。通過適當選擇棱鏡的結(jié)構(gòu)參量，可以在輸出像面上得到較均勻的光斑。 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 異型棱鏡光束整形原理分析 第二步，對于大發(fā)散角的光線，在棱鏡側(cè)面 (x2， y2)處發(fā)生全反射，反射光線相對清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 22 頁 共 34 頁 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，工為棱鏡的長度。 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 21 頁 共 34 頁 這種方法只要將每一片棱鏡對準一個發(fā)光源，就可消除 LDA 不連續(xù)對光束質(zhì)量的影響，比較成功地解決了光束整形的質(zhì)量問題。第 1個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，由于棱鏡片有錯位，所以出射光束段也順次產(chǎn)生錯位。 圖 兩組棱鏡光束整形 其 中，一種典型的方法是通過兩組棱鏡來分割和重排 LDA 光束。但由于從 LD 出射光的模式與光纖的模式無清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 20 頁 共 34 頁 法匹配以及光纖陣列的填充因子受限，這種耦合技術(shù)得不到高亮度的光，而且系 統(tǒng)體積難于壓縮， LD 和光纖的對準比較困難。系統(tǒng)大功率的耦合效率為 67％。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，對其快軸的大發(fā)散角進行壓縮。 設透鏡折射率為 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) () 在此基礎上，非球面透鏡的其他幾何參數(shù)就可以相應求得，通常是采用數(shù)值模擬或近似的方法。 非球面柱透鏡準直系統(tǒng) 常用的非球面柱透鏡其入射面通常為平面，為了提高準直效果，其出射面一般要加工成非球面，如圖 。 在盡量減小出射光束發(fā)散角的目標下，分別來討論 A、 B的取值。 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 17 頁 共 34 頁 圖 圓柱透鏡準直光路分析 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） 。 3． 3 激光束 準直系統(tǒng)介紹 圓柱透鏡系統(tǒng) 為了提高半導體激光器光束質(zhì)量，常采用以一段低數(shù)值 孔徑的光纖作為圓柱透鏡來實現(xiàn)半導體激光快軸方向光束的準直是一種容易實現(xiàn)、價格低廉且能滿足多種使用要求的方法。 沿 z 軸傳播的高斯光束 ,以其束腰位置為原點 ,等相位面的光斑半徑 確定公式： fzw 2w(z) 0 ?? （ ） 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 16 頁 共 34 頁 其中 w0為基模高斯 光束的腰 斑 半徑 ,f為高斯光束的共焦參數(shù) ,且 ?? 20f w? 。 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 )的分布是呈高斯型的，因此稱之高斯光束。 3． 1 半導體激光器的 光束特性 由于半導體激光器的特殊 結(jié) 構(gòu)，造成了其光束與其他激光極為不同的遠場特性。 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。工作特性與溫度有顯著關系，環(huán)境溫度變化可引起激射。 （ 10）可靠性高，使用壽命最長。 用單橫模的激光器可以得到空間上相干性高的輸出光。在這個范圍內(nèi)可以任意選擇激射波長，能夠?qū)崿F(xiàn) 寬帶光放大器。 （ 3）室溫下可連續(xù)震蕩。 2． 3 半導體激光器的優(yōu)缺點 優(yōu)點： （ 1）體積小、重量輕 、價格便宜。另一種結(jié)構(gòu)是通過微加工技術(shù)在有源層的一端制成 45o 反射面鏡，反射光從表面輸出，通過控制該面鏡的反射率來控制激光振蕩強度，如圖 (b)所示。 從 70 年代末期發(fā)展起來的這種激光器越來越顯示出它的優(yōu)越性。 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。 圖 雙異質(zhì)結(jié)激光器中的 Jth與有源層厚度的關系 60 年代末期，貝爾實驗室的江畸 (Esaki)和朱肇祥首 先提出，當所生長的晶體厚度薄到半導體中電子的德布羅意波長 (約為 10nm)或電子平均自由程量級 (約為 50nm)時，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。 量子阱半導體激光器 一般的雙異質(zhì)結(jié)半導體激光器的閾值電流密度 Jth與有源層厚度的關系如圖 所示，最佳的有源層厚度在 。 實質(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)向擴展和注入載流子的側(cè)向擴散。 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 11 頁 共 34 頁 圖 雙異質(zhì)結(jié)半導體激光器結(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題。 1970 年基于此結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了 GaAlAs／GaAs 激射波長為 ? m 的半導體激光器在室溫下連續(xù)工作。 閾值條件為： 211ln21 RRLath ???? () 其中 th? 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 為諧振腔的長度，1R 、 2R 1 為兩個反射鏡的反射率 。 在半導體 PN 結(jié)上 施加正向電壓 ， 產(chǎn)生與內(nèi)部電場相反方向的外加電場，結(jié)果能帶傾斜減小，擴散增強 [4] 。要使激光器得到相干的、受激光輸出，須滿足 兩個條件，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件與閾值條件。 高能級占有的電子數(shù)比低能級的電子數(shù)少，因此總的來說光被吸收。 在半導體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態(tài)擴展成能級連續(xù)分布的能帶。在正常狀態(tài)下，電子處于低能級 1E ，在入射光作用下，它會吸收光子的能量躍遷到高能級 2E 上，這種躍遷稱為受激吸收。 1． 5 本章小結(jié) 本章 介紹了進行“ 基于 980nm 半導體激光器 光束準直系統(tǒng) 的 設計”選題的 目的 和研究意義。 第三章 ： 主要 分析 半導體激光器的光束準直理論 。經(jīng)過整形的半導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源使用。同年，西安電子科技大學物理學院還對“雙半圓柱透鏡準直半導體激光光束”進行了研究，理論上可將激光束 快軸方向發(fā)散角壓縮到 的量級。同年 ，西安電子科技大學對“大功率半導體激光整形技術(shù)”進行了研究。 2020 年，重慶師范學院對“圓柱透鏡對半導體激光束準直性能的改進”進行了理論研究，仔細分析了半導體激光器快軸方向發(fā)散光束通過圓柱透鏡后的準直特性、光強分布和光能轉(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)以及界面反射的關系。 2020 年至 2020 年， Alabama 大學對激光束整形研究進行研究。 準直技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向 激光束準直系統(tǒng)是光 電 系統(tǒng)中一個重要的組成部分，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稱光斑。 1． 3 準直技術(shù) 的意義與研究 半導體激光器光束準直的意義 近年來由于多個領域?qū)Ω吖β实男枨?，出現(xiàn)了輸出功率較高的半導體激光器列陣 ，由 多個激光發(fā)射單元構(gòu)成，由于非對稱光波導的影響，每個激光器輸出的高斯光束在垂直于結(jié)平面方向和平行于結(jié)平面方向出現(xiàn)較大差別： （ 1） 兩個方向有較大的且不對稱的發(fā)散角； （ 2） 兩個方向的束腰不在同一位置上，即存在固有象散； 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 6 頁 共 34 頁 （ 3） 遠場為橢圓光斑。內(nèi)窺鏡輸出方式已經(jīng)成為醫(yī)療用半導體激光器的普遍功率輸出方式，對于某些特定工作波長的高功率半導體激光器，光動力學治療己經(jīng)成為癌癥治療的一種重要手段，這是因為有多種化學成分在 630770nm波段有光敏行為，利用腫瘤細胞中存 在的這些化學成分，采用激光激發(fā)以后可以有選擇性地殺傷腫瘤細胞 [2] 。 隨著高功率半導體激光器制備技術(shù)的不斷提高和價格的下降，材料處理與加工必然會成為大功率半導體激光器的最大應用市場。由于摻鉺光纖放大器其全光纖特點，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。但由于國內(nèi)工業(yè)條件和加工技術(shù)以 及相關器件的制備方面