【正文】 外部環(huán)境的折射率為n0,透鏡材料的折射率為n1（n1n0）。由于入射光束發(fā)散角較大不能滿足近軸條件，圓柱透鏡又存在球差，必然影響到出射光束的準(zhǔn)直性好光強(qiáng)分布等。盡管高斯光束的特點(diǎn)是方向性好，但為了其能量能遠(yuǎn)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(shí)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: （）如果高斯光束在空間傳輸時(shí)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(dǎo)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(jìn)行計(jì)算研究，能準(zhǔn)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。（a）在垂直于結(jié)平面方向，光束的束腰在激光器的解理面上，（b）,在平行于結(jié)平面方向，光束的束腰位于激光發(fā)射腔內(nèi)，因此這兩個(gè)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(nèi)容中，將對半導(dǎo)體激光器光束特性做簡單介紹，隨后對半導(dǎo)體激光器的準(zhǔn)直方法作介紹。2．4 本章小結(jié)本章主要通過介紹半導(dǎo)體激光器的基本原理的，初步了解了半導(dǎo)體激光器的工作原理，簡單介紹了幾個(gè)典型的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，最后總結(jié)出半導(dǎo)體激光器與其他激光器相比的優(yōu)缺點(diǎn)。（4） 輸出光發(fā)散。（2） 頻率、閾值電流、輸出光功率等變化。缺點(diǎn)：（1） 溫度特性差。（11）可單片集成化。（9）可批量生產(chǎn)。（8）能產(chǎn)生超短光脈沖。（7）相干性高。（6）具有直接調(diào)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(dǎo)體激光器的內(nèi)量子效率可接近100%。（2）可注入激勵(lì)。由于受腔長限制也難以獲得二維列陣，因此這類平面腔結(jié)構(gòu)的表面發(fā)射激光器很難獲得實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。這類平面腔結(jié)構(gòu)只是簡單地變半導(dǎo)體激光器的端面輸出為表面輸出，很難得到無像散的高質(zhì)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(jié)構(gòu)是采取布喇格光柵從有源區(qū)耦合出激光，(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(yuǎn)場特性。 表面發(fā)射激光器 平面腔表面發(fā)射激光器（(a) 光柵耦合(b)450鏡結(jié)構(gòu)），相對于一般的端面發(fā)射半導(dǎo)體激光器而言，光從垂直于結(jié)平面的表面發(fā)射已構(gòu)成半導(dǎo)體激光器的另一種基本結(jié)構(gòu)。量子阱結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器，其閾值電流可以達(dá)到亞毫安級，調(diào)制帶寬達(dá)數(shù)10GHz。如果窄帶隙與寬帶隙超薄層交替生長就能構(gòu)成多量子阱(MQW)。量子阱半導(dǎo)體激光器正是利用這種量子尺寸效應(yīng)工作的。盡管在最佳的有源層厚度下，異質(zhì)結(jié)勢壘和光波導(dǎo)效應(yīng)對有源層中的電子和光子有較好的限制能力，但它們?nèi)蕴幵诤裼性磪^(qū)中狀況，即電子仍具有三個(gè)自由度。超過此值后Jth隨著有源層厚度的增加而線性增加，這是因?yàn)殡S著有源層厚度的增加，載流子的擴(kuò)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(zhì)結(jié)勢壘對載流子的限制能力。折射率波導(dǎo)充分體現(xiàn)了條形結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，已成為半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)形式，已廣泛用于CD唱機(jī)，激光打印和光纖通信系統(tǒng)中。增益波導(dǎo)對光場的側(cè)向滲透實(shí)際上沒有限制作用，其所謂光波導(dǎo)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(zhì)子轟擊條形，在平行結(jié)平面方向的光學(xué)限制是所謂的“增益波導(dǎo)”。針對有源區(qū)的載流子和光子在平行結(jié)平面方向的限制問題，研究人員提出了條形結(jié)構(gòu)，這是半導(dǎo)體激光器發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑。同時(shí)，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(gòu)成了一個(gè)限制光子在有源區(qū)內(nèi)的介質(zhì)光波導(dǎo)。在此以GaAs半導(dǎo)體激光器為例說明半導(dǎo)體激光器的基本原理和結(jié)構(gòu)。 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器（1）雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(DH)這種結(jié)構(gòu)識將有源層加在同時(shí)具有寬帶隙和低折射率的兩種半導(dǎo)體材料之間，以便在垂直于結(jié)平面方向有效地限制載流子與光子。 半導(dǎo)體激光器的器件結(jié)構(gòu)圍繞著不斷提高半導(dǎo)體激光器的性能以滿足日益增漲的應(yīng)用，已發(fā)展了許多半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)。 閾值條件是充分條件，它要求粒子數(shù)必須反轉(zhuǎn)到一定程度，即達(dá)到由于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的增益能克服有源介質(zhì)的內(nèi)部損耗和輸出損耗(激光器的輸出對有源介質(zhì)來說也是一種損耗)，此后增益介質(zhì)就具有凈增益。電子運(yùn)動方向與電場方向相反，便使N區(qū)的電子向P區(qū)運(yùn)動，P區(qū)的空穴向N區(qū)運(yùn)動，最后在PN結(jié)形成一個(gè)特殊的增益區(qū)。實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體中的反轉(zhuǎn)分布，最有效的方法是由價(jià)帶的電子激發(fā)到導(dǎo)帶形成大量的電子空穴對實(shí)現(xiàn)。粒子束反轉(zhuǎn)條件是必要條件，它意味著處于高能態(tài)的粒子(如半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的電子)數(shù)多于低能態(tài)的粒子數(shù)。 實(shí)現(xiàn)條件就基本原理而論，半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)分布反轉(zhuǎn)則產(chǎn)生凈的光輻射而獲得光放大。稱為費(fèi)米能級。能量低的能帶稱為價(jià)帶，能量高的能帶稱為導(dǎo)帶。電子在和兩個(gè)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： （）其中，為普朗克常數(shù)，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(zhì)的原子中，存在許多能級，最低能級稱為基態(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(dǎo)體激光器目前國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用，主要針對激光束的準(zhǔn)直技術(shù)發(fā)展和國內(nèi)外研究成果進(jìn)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(yùn)用幾何光學(xué)基本定理針對半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)直系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)，對其進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬。第二章：主要介紹半導(dǎo)體激光器的基本工作原理及器件構(gòu)造。1．4 本論文主要工作本論文利用幾何光學(xué)的知識，基于光線光學(xué)理論和利用柱透鏡對半導(dǎo)體激光器光束準(zhǔn)直的理論分析，運(yùn)用ZEMAX軟件進(jìn)行準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)中整形后快慢軸的光束質(zhì)量比較接近，整形效率達(dá)到90%。清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系光子與電子技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究了“用于半導(dǎo)體激光器的棱鏡組光束整形方法”,隨著半導(dǎo)體激光器應(yīng)用的日益廣泛，半導(dǎo)體激光的光束質(zhì)量在二維方向極不均衡的特點(diǎn)限制了它的應(yīng)用范圍。2006年，西安電子科技大學(xué)物理學(xué)院，對“半導(dǎo)體激光器遠(yuǎn)軸光束的準(zhǔn)直特性”進(jìn)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(dǎo)體激光器遠(yuǎn)軸光束經(jīng)過透鏡準(zhǔn)直后的場分布解析表達(dá)式。設(shè)計(jì)了一種新型的stack型半導(dǎo)體激光束整形器件。2005年，北京理工大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，對“光纖微透鏡用于陣列半導(dǎo)體激光器快軸準(zhǔn)直研究”進(jìn)行了分析，以此為基礎(chǔ)，研制了耦合光學(xué)系統(tǒng)，采用直徑柱面透鏡準(zhǔn)直后，陣列半導(dǎo)體激光器快軸方向發(fā)散角可減小到，系統(tǒng)準(zhǔn)直耦合效率達(dá)到89%以上。同年，西安理工大學(xué)對“大氣激光通信準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)”進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，通過分析光能耦合效率與數(shù)值孔徑的關(guān)系，總結(jié)出規(guī)律用來確定光通信準(zhǔn)直系統(tǒng)的數(shù)值孔徑。國內(nèi)方面：2003年，電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院光通信技術(shù)研究室對“半導(dǎo)體激光器的衍射準(zhǔn)直透鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)”進(jìn)行了研究，該文針對國內(nèi)外現(xiàn)有半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)直器件的缺點(diǎn)，提出了一種用于半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)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(xué)光學(xué)研究中心對高斯－圓光束整形進(jìn)行了研究。同年，美國能源部Sandia國家實(shí)驗(yàn)室也進(jìn)行了激光束整形技術(shù)進(jìn)行了理論研究。下面簡要介紹國內(nèi)外在準(zhǔn)直技術(shù)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?qū)υ屑夹g(shù)加以改進(jìn)，研制出高效、簡單、容易實(shí)現(xiàn)的整形系統(tǒng)是半導(dǎo)體激光束整形技術(shù)發(fā)展的主要途徑。因此半導(dǎo)體激光器列陣的輸出光束必須要經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)的準(zhǔn)直后才能實(shí)際應(yīng)用。因此高功率980nm半導(dǎo)體激光器可被用于醫(yī)療上的激光手術(shù)刀。另外，半導(dǎo)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(dǎo)體激光器可用于治療屬于當(dāng)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(dǎo)體激光器可應(yīng)用于微加工、聚合物粘合、切割及燒結(jié)，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(biāo)、激光切割等。該類高功率半導(dǎo)體激光器可以滿足大面積高分辨率圖象的高速印刷，同時(shí)降低了印刷設(shè)備對光學(xué)系統(tǒng)及機(jī)械系統(tǒng)的精度要求。它在軍事上也有許多應(yīng)用，如激光測距、激光干擾、目標(biāo)定位、目標(biāo)跟蹤、激光制導(dǎo)、淺海探障、甚至激光殺傷與破壞等，固體激光器技術(shù)已經(jīng)成為每個(gè)國家提高其國防科技水平急需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，而半導(dǎo)體激光器泵譜是固體激光器發(fā)展的一個(gè)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(zhuǎn)換效率，易于調(diào)制，功耗低、體積小、重量輕、安全性好、壽命，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)更加緊湊、可靠性更高、方便和全天候等的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)新一代超高速、超大容量、超強(qiáng)功能全光光通訊網(wǎng)絡(luò)中起非常重要的作用。所以研制該器件替代進(jìn)口具有重大的實(shí)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(dá)到小功耗的目的。采取的技術(shù)途徑也是采用楔型光纖透鏡直接耦合。達(dá)到的技術(shù)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(chǎn)品出售。達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)是器件的激射波長：980nm177。他們兩個(gè)單位合作完成了一個(gè)國家“863項(xiàng)目。布拉格光柵鎖定波長的激光器kinkfree功率達(dá)到700mW以上。JDSU同時(shí)還透露其980nm導(dǎo)體激光器故障幾率低于每十億小時(shí)五次故障(5FIT)。其中新的3000系列激光器可以產(chǎn)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(yīng)用。2005年T．Pliska等人報(bào)道了他獲得980nm波長光纖光柵半導(dǎo)體激光器輸出功率800mW的功率輸出。2001年T．P1iska等人研制的980nm光纖光柵激光器在下達(dá)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(dǎo)，其達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)是：在250mA電流下輸出功率達(dá)到lOOmW、閾值電流30mA、中心波長974nm、。工作溫度只能在，在560mA電流下輸出功率達(dá)到230mW、閾值電流70mA、中心波長974nm。主要技術(shù)途徑有：(1)產(chǎn)品一包括激光器、熱敏電阻、制冷器和探測器。高功率半導(dǎo)體激光器在20世紀(jì)90年代取得了突破性進(jìn)展，其標(biāo)志是半導(dǎo)體激光器的輸出功率顯著增加。 （3）為了使半導(dǎo)體激光器得到實(shí)際應(yīng)用，對激光器的動態(tài)特性進(jìn)行了研究。 （2）尋找新的半導(dǎo)體激光材料，擴(kuò)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(dǎo)體激光器的研究工作主要集中在一下幾個(gè)方面：（1）圍繞著實(shí)現(xiàn)GaAs注入半導(dǎo)體激光器在