【正文】 最后，再次向所有曾經(jīng)關(guān)心和幫助過我的老師、同學(xué)以及親友 致以 最誠摯的謝意 ！ 。 感謝 四 年 來 與我朝夕相處 的所有同學(xué)們 ， 感謝 他們在我的學(xué)習(xí) 生活中給予 我無私的幫助， 感謝他們與我一起分享 大學(xué)生活的點(diǎn)點(diǎn)滴滴 。在本文的選題、方案的設(shè)計(jì)與論證以及后來論文撰寫的全過程中， 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 ，并 在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，充分的應(yīng)用，使我了解了平時沒有機(jī)會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。 在畢業(yè)設(shè)計(jì)的整個過程中， 老師們思想深邃、視野開闊，為我營造了一種良好的精神氛圍。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)說明書 第 33 頁 共 34 頁 [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)說明書 第 34 頁 共 34 頁 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)師的無數(shù)心血 。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 32 頁 共 34 頁 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全國光電子器件與集成技術(shù)會議論文集 .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．圓柱透鏡對半導(dǎo)體激光光束準(zhǔn)之性能的改進(jìn)．中國激光， 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) 相對于現(xiàn)今各種各樣的這對于半導(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。 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)場發(fā)散角和平行于結(jié)平面方向的遠(yuǎn)場發(fā)散角相差較大。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。 （ 2） 根據(jù)幾何光學(xué)基本原理，針對半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)直系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 31 頁 共 34 頁 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系統(tǒng)準(zhǔn)直性能都有一定影響。 4． 3 本章小結(jié) 本章 根據(jù)幾何光學(xué)基本原理，對于 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，并對入射和出射兩個非球面進(jìn)行了推導(dǎo)，對子午 面 和弧矢面上的光線進(jìn)行了嚴(yán)格的計(jì)算仿真。 圖 柱透鏡的橫截面聚焦示意圖 激光束通過單柱透鏡的點(diǎn)列圖如圖 ： 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 29 頁 共 34 頁 圖 單柱透鏡點(diǎn)列圖 激光束通過透鏡組合 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。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。 980nm 半導(dǎo)體激光器基本參數(shù)如表 。 ZEMAX 軟件仿真 此次設(shè)計(jì) 利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件 ZEMAX 對 準(zhǔn)直 系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。 ZEMAX 是美國 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。 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。且 //O 點(diǎn) 位于清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 27 頁 共 34 頁 橢圓的左焦點(diǎn)處。 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 ??????????? ?? （ ） 對曲面 2S 運(yùn)用費(fèi)馬定律，同時假設(shè)曲面左側(cè)為單一玻璃介質(zhì)，右側(cè)為空氣介質(zhì)。 對于后透鏡的設(shè)計(jì)，由于后透鏡主要是對弧矢面光線進(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 。 對于前透鏡的設(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 1S 面， 如圖 。 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 [14] )組成。 由于柱透鏡只對垂直于柱面鏡軸線方向的光束壓縮發(fā)散角，而對與軸線方向平行的光束沒有壓縮發(fā)散角的作用 [13] ， 因此，兩個半柱透鏡相互垂直放置可以分別準(zhǔn)直半導(dǎo)體激光器兩個方向的發(fā)散 角 ，如圖 所示。 圖 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 max?? 在 oo 30~0 范圍內(nèi)變化，在 弧矢面激光束的發(fā)散角度 max//? 在 oo 10~0 范圍內(nèi)變化。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 23 頁 共 34 頁 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 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 。這對許多重要應(yīng)用，如醫(yī)療等場合是非常有價值的。 對于堆積式半導(dǎo)體激光器，異性棱鏡式一種結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、高效的光束整形元件。 利用該方法可以得到 4mm*6mm 的近似均勻的光斑，在這個范圍內(nèi)的光能量占總輻射能量的 80％ ，作為一種十分簡單的系統(tǒng)獲得這樣高的效率對許多應(yīng)用場合是十分重要的。按圖 中的幾何關(guān)系，有 ： x3=L+d1 () y3y2=(x3x2)tanθ2 () 其中， θ2為 (x3,y3)處的入射角。反射光線與光軸的夾角為 θ2： θ2=θ12α () 可見，光束的發(fā)教角得到了壓縮，壓縮的大小可由 ()式得出。如圖 ， 第一步，光線經(jīng)空氣傳輸至棱鏡入射面，于（ x1,y1） 處發(fā)生折射，根據(jù) Snell 定律， sinθ=nsinθ1，由于 nl，故而 θθ1，發(fā)散角得到初步壓縮，并且 ： x1d1 () y1y0=(x1x0)tanθ1 () 其中， (xo， y0)為 Emitter 的坐標(biāo)， d1為 Emitter 到入射面的距離。 異型棱鏡光束整形 西安電子科技大學(xué)的研究生高權(quán)華及曾曉東教授及 人研究設(shè)計(jì)出異形棱鏡光束整形方法，異性棱鏡光束整形方法的實(shí)物圖如圖 。用兩組光楔 (或折射棱鏡 )進(jìn)行光束分割和重排也可得到與 P5一樣的光斑。然后出射光進(jìn)入第 2 個棱鏡組，被重新排列輸出。如圖 ，兩組棱鏡中，各片棱鏡以斜邊為基準(zhǔn)，依次按一定間距錯位放置，光束在不同位置被截成一段段的。第 1 組 n 個棱鏡用來將 LDA 光束在慢方向分割成 n 部分后，第 2 組 n 個棱鏡用來在快方向上將分割后的 n 部分光束重排列。該方法重排光斑較好，能大大提高 LDA 光束質(zhì)量，易于實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)調(diào)整簡單，微鏡數(shù)不受 LDA 節(jié)數(shù)限制。 棱鏡組折反射光束整形 美國的 Apollo Instrttment 公司提出了幾種高效的光束整形方法，其中一些還創(chuàng)造了亮度的最高記錄。 這種光纖耦合輸出不僅簡化了應(yīng)用條件，也改善了輸出光束的非對稱性，且激光束經(jīng)過一段距離的光纖傳輸后，在輸出截面上的強(qiáng)度得到勻化，提高了輸出光束的質(zhì)量，傳輸過程中的光能損失也很小，同時還可以實(shí)現(xiàn)多個 LD 光源之間的輸出光耦合或組合，使輸出功率得到相對于單管數(shù)十倍的提高。 圖 光纖耦合系統(tǒng)示意圖 這種方案的設(shè)計(jì)中可以用于提高耦合效率的方法主要有： (1)在光纖耦合系統(tǒng)的輸入端連續(xù)排列光纖； (2)光纖耦合系統(tǒng)輸入和輸出端面鍍 AR 膜： (3)采用間接耦合的方式，先用微柱透鏡將 LD 的快軸方向進(jìn)行準(zhǔn)贏再耦合進(jìn)光纖，這樣得到 的光束空間發(fā)散均勻。為了把多根光纖粘和在一起，要找到一種低折射率的 ,可以打磨的粘合材料，這里使用的是折射率為 的 EPOTEK328。為了使微柱透鏡的直徑與光纖線陣的尺寸相對應(yīng)，微柱透鏡的直徑應(yīng)小于 90? m，如 80? m。 光纖耦合系統(tǒng) 如圖 ，在這里，條型激光線陣是以 Spectra Diode Laboratories SDL3230T清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 19 頁 共 34 頁 為例，其輸出光斑尺寸為 10mm*l ? m。 非 球面柱透鏡準(zhǔn)直半導(dǎo)體激光束在理論上可以達(dá)到完全準(zhǔn)直的效果 [7] ，從而也是在一些要求很高的系統(tǒng)中常用的方法之一。如圖 所示， α是光線與 Z 軸的夾角， α`是光線在透鏡中的折射角， β`和 β 是光線在透鏡出射面上的入射和折射角，假定折射光線與 Z 軸平行，則β正好等于非球面在該點(diǎn)曲率半徑矢量與 Z 的夾角。下面是對其準(zhǔn)直原理的簡單介紹。但是，我們可以看出圓柱透鏡的準(zhǔn)直效率并不太高，在準(zhǔn)直度要求很高的情況下，該方案往 往難以滿足應(yīng)用要求。只要適當(dāng)?shù)拇_定 A、 B 的值，就可以使光束得到最佳的準(zhǔn)直效果。 如果令 A= ? ?? ?Knn 1n21 且 B= ? ? ? ?? ?n*nK*K*1*n*n*n3 1 ?? nnnnK ， 則有： α`=Aα+Bα3 （ ） 根據(jù)上面得到的結(jié)論，圓柱透鏡準(zhǔn)直系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是考慮 A、 B 的取值，事實(shí)上就是參數(shù) K 和 n 的合理選擇。半導(dǎo)體激光器發(fā)光線安放在與透鏡軸線