【正文】 距離為 Kr 的 O 處（ K1），從此處發(fā)出的傾角為 α的光線以 θ 角入射于透鏡前半表面 ，折射角為 θ`；再經透鏡后表面與環(huán)境的交界面折射后，光線的傾角成為 α`，在此處，入射角為 θ`折射角為 θ。 圖 圓柱面透鏡準直光路 半導體激光器有源區(qū)只有 m?~ 的厚度，可以近似看作沿慢軸 方向的線光源，將其與圓柱透鏡的軸線平行安裝，兩者構成光軸平面，激光束的快軸方向發(fā)散光是非均勻柱面波，與光軸面成鏡面對稱。 如圖 。 盡管高斯光束的特點是方向性好，但 為了其能量能遠距離傳遞，必須減小高斯光束的發(fā)散角。 高斯光束在自由空間傳播時是由束腰逐漸向兩邊發(fā)散的 ,發(fā)散程度用發(fā)散角 θ0來衡量 ,其定義為 : 00 2)(lim 2 wzzw ??? ?? （ ） 如果高斯光束在空間傳輸時遇到透鏡 ,光束參數(shù)就要改變。高斯光束的特性主要由腰斑的大小和束腰的位置決定。 對于半導體激光器 這類 高斯輸出型激光器，以高斯光束為模型，對激光器的輸出光束進行計算研究，能準確地反映光束的傳輸變化情況。 因此， 可以用離心高斯函數(shù)來描述此方向模式場分布。 如圖 （ a） 在垂直于結平面方向，光束的束腰在激光器的解 理 面上， 如圖 （ b） ,在平行于結平面方向，光束的束腰位于激 光發(fā)射腔內，因此這兩個方向上的光束的束腰是彼此分離的，即具有簡單像散性。 在本章的內容中，將對 半導體 激光器光束特性做簡單介紹，隨后對半導體激光器的準直方法作介紹。 2． 4 本章小結 本章主要 通過介紹 半導體激光器的 基本 原理 的，初步了解了半導體激光器的工作原理，簡單介紹了 幾個典型的半導體激光器結構 ，最后總結出半導體激光器與其他激 光器相比的優(yōu)缺點。 （ 4） 輸出光發(fā)散。 （ 2） 頻率、閾值電流、輸出光功率等變化。 缺點： （ 1） 溫度特性差。 （ 11）可單片集成化。 （ 9）可批量生產。 （ 8）能產生超短光脈沖。 （ 7）相干性高。 （ 6）具有直接調制的能力。 （ 5）增益帶寬寬。 （ 4） 覆蓋的波段范圍最廣。理論上，半導體激光器的內量子效率可接近 100%。 （ 2）可注入激勵。由于受腔長限制也難以獲得二維列陣，因此這類平面腔結構的表面發(fā)射激光器很難獲得實際應用價值。這類平面腔結構只是簡單地變半導體激光器的端面輸出為表面輸出，很難得到 無像散的高質量光束；由于受腔長的限制，不可能從表面得到輸出功率一致的二維列陣激光源。 一種結構是采取布喇格光柵從有源區(qū)耦合出激光，如圖 (a)所示。最早考慮表面發(fā)射是基于這種發(fā)射方式便于制成二維列陣、容易得到有利于與光纖高效率耦合的圓對稱的遠場特性。 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 13 頁 共 34 頁 表面發(fā)射激光器 圖 平面腔表面發(fā)射激光器 （ (a) 光柵耦合 (b)450鏡 結 構 ） 由圖 看出，相對于一般的端面發(fā)射半導體激光器而言，光從垂直于結平面的表面發(fā)射已構成半導體激光器的另一種基本結構 。量子阱結構的半導體激光器 ，其閾值電流可以達到亞毫安級，調制帶寬達數(shù) 10GHz。如果窄帶隙與寬帶隙超薄層交替生長就能構成多量子阱(MQW)。量子阱半導體激光器正是利用這種量子尺寸效應工作的。盡管在最佳的有源層厚度下，異質結勢壘和光波導清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 12 頁 共 34 頁 效應對有源層中的電子和光子有較好的限制能力，但它們仍處在厚有源區(qū)中狀況，即電子仍具有三個自由度，也就是圖 所反映出來的只是同一性質下的量變過程。超過此值后 Jth隨著有源層厚度的增加而線性增加，這是因為隨著有源層厚度的增加，載流子的擴散減少了在 同樣注入電流下注入有源區(qū)的載流子濃度或注入電流密度，這也等效于減弱了異質結勢壘對載流子的限制能力。折射率波導充分體現(xiàn)了條形結構的優(yōu)越性，已成為半導體激光器的基本結構形式，已廣泛用于 CD 唱機，激光打印和光纖通信系統(tǒng)中。增益波導對光場的側向滲透實際上沒有限制作用，其所謂光波導作用 只是相對于損耗而出現(xiàn)的光的凈增益區(qū)域。最早的條型激光器是采用電極條形或質子轟擊條形 ，在平行結平面方向的光學限制是所謂的“增益波導”。針對有源區(qū)的載流子和光子在平行結平面方向的限制問題，研究人員提出了條形結構，這是半導體激光器發(fā)展史上的一個重要里程碑。同時，窄帶隙有源區(qū)有高的折射率，與兩邊低折射率的寬帶隙層構成了一個限制光子在有源區(qū)內的介質光波導。在此以 GaAs 半導體激光器為例說明半導體激光器的基本原理和結構。 異質結半導體激光器 （ 1） 雙異質結半導體激光器 (DH) 這種結構識將有源層加在同時具有寬帶隙和低折射率的兩種半導體材料之間，以便在垂直于結平面方向有效地限制載流子與光子 。 半導體激光器的器件結構 圍繞著不斷提高半導體激光器的性能以滿足日益增漲的應用，已發(fā)展了許多半導體激光器的結構。 閾值條件 是充分條件 ， 它要求粒子數(shù)必須反轉到一定程度，即達到由于粒子數(shù)反轉所產生的增益能克服有源介質的內部損耗和輸出損耗 (激光器的輸出對有源介質來說也是一種損耗 )，此后增益介質就具有凈增益。電子運動方向與電場方向相反，便使 N 區(qū)的電子向 P 區(qū)運動， P 區(qū)的空穴向 N 區(qū)運動，最后在 PN 結形成一個特殊的增益區(qū)。 實現(xiàn)半導體中的反轉分布 ， 最有效的方法是由價帶的電子激發(fā)到導帶形成大量的電子 空穴對實現(xiàn) 。 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 10 頁 共 34 頁 粒子束反轉條件 是必要條件，它意味著處于高能態(tài)的粒子 (如半導體導帶中的電子 )數(shù)多于低能態(tài)的粒子數(shù)。 實現(xiàn) 條件 就基本原理而論，半導體激光器和其它類型的激光器沒有根本的區(qū)別，即都 是基于受激 輻射。但是若給系統(tǒng)提供能量實現(xiàn)分布反轉則產生凈的光輻射而獲得光放大。 fE 稱為費米能級。能量低的能帶稱為價帶，能量高的能帶稱為導帶 。電子在 1E 和 2E 兩個能級之間躍遷，吸收的光子能量或輻射的光子能量都要滿足波爾條件 ： 1212 hfEE ? （ ） 其中 sJ106. 62 8h 3 4 ??? ，為普朗克常數(shù)， 12f 為吸收或輻射的光子頻率 。電子躍遷后，在低能級留下相同數(shù)目的空穴。 受激輻射 在物質的原子中，存在許多能級，最低能級 1E 稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的 能級 Ei(i=2, 3, 4 ?) 稱為激發(fā)態(tài)。并簡單介紹了 980nm 半導體激光器 目前國內外的發(fā)展現(xiàn)狀和 應用 ，主要針對激光束的準直技術發(fā)展和國內外研究成果進行了概述性的介紹。概述本文的主要工作，并對下一步的發(fā)展提出建議。 第四章： 運用幾何光學基本定理針對半導體激光器準直系統(tǒng)進行優(yōu)化仿真設計， 對清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 8 頁 共 34 頁 其進行理論分析和數(shù)值模擬 。 第二章： 主要介紹半導體激光器的基本工作原理 及器件構造 。 1． 4 本論文主要工作 本論文 利用幾何光學的知識，基于光線光學理論和利用柱透鏡對半導體激光器光束準直的理論分析，運用 ZEMAX 軟件 進行準直系統(tǒng)設計 。實驗中整形后快慢軸的光束質量比較接近，整形效率達到 90%。清華大學精密儀器與機械學系光子與電子技術國家重點實驗室，研究了“用于半導體激光器的棱鏡組光束整形方法” ,隨著半導體激光器應用的日益廣泛，半導體激光的光束質量在二維方向極不均衡的特點限制了它的應用范圍。 2020 年，西安電子科技大學物理學院，對“半導體激光器遠軸光束的準直特性”進行了研究，根據(jù)瑞利索末菲衍射公式，利用穩(wěn)相法得出了半導體激光器遠軸光束經過透鏡準直后的場分布解析表達式。設計了一種新型的 stack 型半導體激光束整形器件。 2020 年，北京理工大學信息科學技術學院，對“光纖微透鏡用于陣列半導體激光器快軸準直研究”進行了分析，以此為基礎，研制了耦合光學系統(tǒng)，采用直徑 m200? 柱面透鏡準直后，陣列半導體激光器快軸方向發(fā)散角可減小到 ，系統(tǒng)準直耦合效率達到 89%以上。同年，西安理工大學對“大氣激光通信準直光學系統(tǒng)”進行了設計研究，通過分析光能耦合效率與數(shù)值孔徑的關系，總結出規(guī)律用來確定光通信準直系統(tǒng)清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 7 頁 共 34 頁 的數(shù)值孔徑。 國內方面： 2020 年，電子科技大學物理電子學院光通信技術研究室對“半導體激光器的衍射準直透鏡的優(yōu)化設計”進行了研究，該文針對國內外現(xiàn)有半導體激光器準直器件的缺點，提出了 一種用于半導體激光器準直的相位型二元菲涅耳衍射透鏡的優(yōu)化方法，可提高衍射透鏡的衍射效率，增大衍射透鏡的數(shù)值孔徑。美國 Florida， Orlando大學光學研究中心對高斯－圓光束整形進行了研究。同年，美國能源部 Sandia 國家實驗室也進行了激光束整形技術進行了理論研究。 下面簡要介紹國內外在準直技術研究中所采用的有代表性的方法。所以，提出新的整形方案或對原有技術加以改進，研制出高效、簡單、容易實現(xiàn)的整形系統(tǒng)是半導體激光束整形技術發(fā)展的主要途徑。 因此 半導體激光器列陣的輸出光束必須要經過光學系統(tǒng)的準直后才能實際應用。因此高功率 980nm 半導體激光器可被用于醫(yī)療上的激光手術刀。另外，半導體激光器可用于磁共振成像 (MRI)以診斷肺上病變。在眼外科方面，半導體激光器可用于治療屬于當今世界頭號致盲病因的青光眼。光 纖耦合輸出的高功率半導體激光器可應用于微加工、聚合物粘合、切割及燒結，例如：激光塑料焊接、激光金屬焊接、激光熔覆與合金化、激光打標、激光切割等。該類高功率半導體激光器可以滿足大面積高分辨率圖象的高速印刷，同時降低了印刷設備對光學系統(tǒng)及機械系統(tǒng)的精度要求。 它在軍事上也有許多應用，如激光測距、激光干擾、目標定位、目標跟蹤、激光制導、淺海探障、甚至激光殺傷與破壞等，固體激光器技術已經成為每個國家提高其國防清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 5 頁 共 34 頁 科技水平急需解決的關鍵技術之一，而半導體激光器泵譜是固體激光器發(fā)展的一個重要方向，它與傳統(tǒng)的燈泵固體激光器相比，具有高的電光轉換效率，易于調制，功耗低、體積小、重量輕、安全性好、壽命，同時具有結構更加緊湊、可靠性更高、方便和全天候 等的優(yōu)點，可以滿足大多數(shù)軍事裝備對固體激光器的要求。 EDFA 將在實現(xiàn)新一代超高速、超大 容量、超強功能全光光通訊網絡中起非常重要的作用。所以研制該器件替代進口具有重大的實際意義。我們采用的方案也是國際流行的方案，只是我們擬采用短腔長管芯，降低器件的閾值電流密度，提高器件的斜率效率，降低器件的工作電流，達到小功耗的目的。采取的技術途徑也是采用楔型光纖透鏡直接耦合。達到的技術水平是，激射波長： 972nm至 985nm，閾制值電流30mA，在 400mA 下尾纖輸出功率大于 1lOmW。另外現(xiàn)在深圳飛通光子公司提供產品出售。達到的技術指標是器件的激射波長： 980nm177。他們兩個單位合作完成了一個國家“ 863項目。布拉格光柵鎖定波長的激光器 kinkfree 功率達到 700mW 以上。 JDSU同時還透露其 980nm 導體激光器故障幾率低于每十億小時五次故障 (5FIT)。其中新的 3000系列激光器可以產生 660mW 的光功率。并推出 LU0980M200： 1lO～ 200mW 功率輸出， LU0980M330： 210～ 330mW 功率輸出。該激光器采用高精確度的監(jiān)測二極管用來監(jiān)測芯片和光纖的耦合效率，適合于那些沒有前端光線抽頭的 EDFA 應用。 2020 年 T． Pliska 等人報道了他獲得 980nm 波長光纖光柵半導 體激光器輸出功率800mW 的功率輸出。 2020 年 T． P1iska 等人研制的 980nm 光纖光柵激光器在 C10o 下達到 250mW 的功率輸出。有源區(qū)采用 InGaAs 單量子阱，激光器芯片采用 MBE 生長， 利用濕法腐蝕形成脊型波導 ，其達 到的主要技術指標是：在250mA 電流下輸出功率達到 lOOmW、閾值電流 30mA、中心波長 974nm、光譜寬度在13dB 下 為 。工作溫度只能在 C75~C50 oo ， 在 560mA電流下輸出功率達到 230mW、閾值電流 70mA、中心波長 974nm。主要技術途徑有： (1)產品一 包括激光器、熱敏電阻、制冷器和探測器。高功率半導體激光器在 20 世紀 90年代取得了突破性進展，其標志是半導體激光器的輸出功率顯著增加。 （ 3）為了使半導體 激光器得到實際應用，對激光器的動態(tài)特性進行了研究。 （ 2）尋找新的半導體激光材料，擴展激光的波段范圍和改善激光器的輻射特性。 在 19621970 期間，半導體激光器的研究工作主要集中在一下幾個方面： （ 1）圍繞著實現(xiàn) GaAs 注入半導體激光器在室溫下連續(xù)工作，對其結構進行了深入的研究，異質結構是一大突破。 19681970 年，美國貝爾實驗室研究成功 GaAsGaAlAs 單異質結激光器，室溫閾值電流進一步降低，標志著半導體激光器進入了第二個發(fā)展階段 —— 單異質注入型激光器。 1963 年，美國 Kroemer 和蘇聯(lián)的 Alferov 提出把一個窄帶隙的半導體材料夾