【正文】 最后，再次向所有曾經關心和幫助過我的老師、同學以及親友致以最誠摯的謝意！第 35 頁 共34頁。感謝四年來與我朝夕相處的所有同學們，感謝他們在我的學習生活中給予我無私的幫助，感謝他們與我一起分享大學生活的點點滴滴。在本文的選題、方案的設計與論證以及后來論文撰寫的全過程中，我明白了很多東西，積累了許多的經驗以及相關的知識，并在這次畢業(yè)設計中，充分的應用，使我了解了平時沒有機會接觸到的許多儀器設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)設計的整個過程中，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。光學設計．浙江：浙江大學出版社，2003，151160[15] 劉鈞，高明．光學設計．西安：西安電子科技大學出版社，2006，6～21[16] 王成良，李湘寧，賀莉清．應用ZEMAX軟件構造特殊面型．光學儀器，2001，23(3)：2326[17] 葉錦函，郝曉劍，周漢昌．基于ZEMAX的激光光束整形技術試驗研究．工程與實驗，2010,3：[18] 陳穎，楊華軍．，2003，32 (2)：129132致謝首先，衷心感謝我的指導老師，郝教授和江老師，在我的畢業(yè)設計的撰寫過程中，老師們都給予了我悉心的指導和嚴格的要求，從論文的選題到結束論文的所有工作都是在老師的悉心指導和直接關懷下完成的，自始至終傾注了導師的無數(shù)心血。 參 考 文 獻[1] 黃德修，:239.[2] 崔碧峰，李建軍， ，2001:275～278.[3] 馬華．半導體激光束準直技術研究．碩士學位論文．西安：西安電子科技大學，2006[4] :216.[5] DavidLS, beam ,2003,42(11):30773079[6] 梁一平，戴特力．圓柱透鏡對半導體激光光束準之性能的改進．中國激光，2004，31 (11)：13051311[7] Alda and Gaussian beam propagation and trans for mation in Encyclopedia of Optical Engineering,2003,4(3):9991013[8] 夏秀蘭，[J].光電子激光，1996，7 (5):283.[9] 潘圓圓，崔瑞禎，陳剛．用于半導體激光器的棱鏡組光束整形方法．激光技術，2006，30(4)：370376[10] 董洪舟，石順祥，李家立．半導體激光器遠軸光束的準直特性研究．光學學報，2006，26(6)：851～863[11] 葉錦函，郝曉劍，2010,5:37[12] 蕭澤新．工程光學設計．北京：電子工業(yè)出版社，2002，815[13] Shealy D opticsbased design of ,2003，42(11)：31233138[14] 李曉彤，岑兆豐．幾何光學相對于現(xiàn)今各種各樣的這對于半導體光器的準直整形技術而言，柱透鏡因其結構簡單、材料便宜以及加工容易而在半導體激光束準直領域獲得較多的應用，但普通的圓柱透鏡其準直能力非常有限，為了能更好地利用柱透鏡在光束準直領域的作用，設計出更加合理的結構是目前在這一方面研究的主要方向之一。由于半導體激光器的結構特點，使得它發(fā)出的光束在垂直于結平面方向上遠場發(fā)散角和平行于結平面方向的遠場發(fā)散角相差較大。仿真結果表明，所設計系統(tǒng)具有良好的準直效果，可將初始光腰為 的高斯光束準直為發(fā)散角小于 的光束，有效提高了激光器光束質量。（2）根據(jù)幾何光學基本原理，針對半導體激光器準直系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計。5 全文總結 主要工作及結論（1）研究了以高斯光束為模型的半導體激光器光束變換特性，分析得出準直系統(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)準直性能都有一定影響。4．3 本章小結本章根據(jù)幾何光學基本原理，對于980nm半導體激光器設計了采用相互正交的柱透鏡組作為設計模型，并對入射和出射兩個非球面進行了推導，對子午面和弧矢面上的光線進行了嚴格的計算仿真。 柱透鏡的橫截面聚焦示意圖： 單柱透鏡點列圖： 正交柱透鏡點列圖，激光束在遠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。在設計理論最小發(fā)散角度所用透鏡參數(shù)的基礎上。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的非序列模式下進行仿真分析。版本等級有SE：標準版，XE：完整版，EE：專業(yè)版（可運算NonSequential）。故本次設計選用ZEMAX軟件。4．2 準直設計優(yōu)化仿真 光學設計軟件目前市面上主要的光學輔助軟件有：ZEMAX、TracePro、ASAP、LightTools、CODEV、OSLO。有： （）聯(lián)立（）至（），可推導出： （） （） （）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），z軸為極軸的橢圓極坐標方程, 將其化為直角坐標形式，且將坐標原點移至點，可得橢圓方程為: ()由式()可知橢圓參數(shù)。 準直系統(tǒng)弧矢面光路圖在子午面，透鏡等價為一個折射率為平板玻璃。 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： （）其中，且點是雙曲線另一支一側的焦點。其中第一柱透鏡主要實現(xiàn)對快軸方向光線的準直，第二柱透鏡主要實現(xiàn)對慢軸方向光線的準直。 垂直雙半圓柱透鏡準直效果圖。針對這一特征，對激光束的子午面和弧矢面分別進行準直。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。3．4 本章小結 本章從半導體激光器的光束特性出發(fā)，以高斯光束為模型，分析了高斯光束經過光學系統(tǒng)變換的傳輸特性，并簡單介紹了幾類常見的準直系統(tǒng)，對半導體激光器的準直系統(tǒng)有初步了解。通過適當選擇棱鏡的結構參量，可以在輸出像面上得到較均勻的光斑。改器件又經改進，將輸出面設計成平面，得到了7mm*7mm的均勻光斑，光強起伏小于5％，在這個范圍內的光能量占總輻射能量的77％，與異性棱鏡的性能進行比較，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，所以其結構更加簡單，應用更加方便，有著重要的利用價值。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。全反射光線經出射面(x3,y3)處折射后出射．選擇適當?shù)膮⒘烤涂色@得所需形狀的高亮度勻強分布的光斑。 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，在棱鏡側面(x2，y2)處發(fā)生全反射，反射光線相對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。 異型棱鏡器件用光線追跡法來說明光束經異形棱鏡變換的機理，可分為兩步，這里以垂直于結平面的剖面為例加以討論。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)對光束質量的影響，比較成功地解決了光束整形的質量問題。結果從LDA出射的光被整形成一個光斑，兩個方向上的M2因子相近。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生錯位。棱鏡組把LDA的出射光束沿慢方向分割，并沿快方向重新排列，從而改善了M2因子．既用到了棱鏡的反射也用到了折射特性。 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。其整形思想利用由棱鏡組組成的光束整形器中的棱鏡組的折反射將LDA光束在慢方向上按照微鏡尺寸分成許多段后在快方向重排，結果光束的M2因子在慢方向上被減小n倍，而快方向上增加n倍。但由于從LD出射光的模式與光纖的模式無法匹配以及光纖陣列的填充因子受限，這種耦合技術得不到高亮度的光，而且系統(tǒng)體積難于壓縮，LD和光纖的對準比較困難。(4)通過面陣列或將單個LDA的光纖耦合系統(tǒng)的輸出端面再捆綁在一起達到高功率的目的，但是這樣并不能提高泵浦光的亮度。系統(tǒng)大功率的耦合效率為67％。光纖線陣是由114根裸光纖構成，其纖芯直徑為80m，這樣，即使得10mm*。如7m，對其快軸的大發(fā)散角進行壓縮。同時，由于非球面柱透鏡的曲面方程難以確定，加之非球面鏡加工困難，使得這一方法在廣泛使用上受到一定的限制。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。 非球面柱透鏡準直光路 非球面柱透鏡準直光路分析圖考慮光路的對稱性所以只考慮上半部分光路。 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。在實際的應用中，我們認為使用圓柱透鏡準直半導體激光束的方法是簡單易行的，在要求不是很高的情況下，基本可以滿足準直的要求，比如當快軸方向發(fā)散的半角寬為時，準直后的遠場發(fā)散半角可達。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。利用幾何光學的知識，經過光路推到可以得到最終發(fā)散角和入射角的關系為： （） 其中n=n1/n0,sinθ`=(1/n)sinθ=(K/n)sinα。 圓柱透鏡準直光路分析，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,