【正文】 在兩個(gè)寬帶隙的半導(dǎo)體之間，希望在窄帶隙半導(dǎo)體中產(chǎn)生高效率的輻射復(fù)合。它是第一只注入式激光器，由矩形 GaAs 薄片做成，在薄片中擴(kuò)散了一個(gè)平面 pn 結(jié)， GaAs芯片固定在金屬基片上，頂部接有導(dǎo)線。 1961 年， 前蘇聯(lián) Basov 等人 最先公開發(fā)表 ：通過(guò) pn 結(jié)注入的載流子復(fù)合，在半導(dǎo)體中能夠產(chǎn)生光子的受激輻射。 1956 年， Pierre Aigrain 鼓勵(lì)美國(guó)無(wú)線電公司的 Pankove 著手制造半導(dǎo)體激光器。 半導(dǎo)體激光器 的 發(fā)展 史 半導(dǎo)體激光器經(jīng)歷了一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的發(fā)展史后，正趨于成熟。 本文 基于 這 個(gè) 目的 ,設(shè)計(jì)了一種 基于 980nm 半導(dǎo)體激光器的光束準(zhǔn)直系統(tǒng)， 利用 柱透鏡組合對(duì)發(fā)散角進(jìn)行壓縮 ,得到 一個(gè) 易于應(yīng)用的 圓 形光斑。但是，由于半導(dǎo)體激光器的非對(duì)稱 光波導(dǎo)結(jié)構(gòu) ，使得發(fā)出的光束在相互垂直的兩個(gè)平面內(nèi)具有較大的發(fā)散角，遠(yuǎn)場(chǎng)平行和垂直于結(jié)平面方向的發(fā)散角分別約 oo 30~10 和 oo 60~30 ，從而形成像散，并在遠(yuǎn)場(chǎng)形成橢圓光斑 ,輸出光能量不集中 ,光強(qiáng)分布不均勻 ,這嚴(yán)重妨礙了大功率半導(dǎo)體激光器 的應(yīng)用。 1． 1 選題目的及意義 近年來(lái) ,半導(dǎo)體激光器的研究和應(yīng)用出現(xiàn)了快速發(fā)展的趨勢(shì) ,半導(dǎo)體激光器在軍事、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等多方面有著重要的應(yīng)用前景。近幾年來(lái)，隨著信息傳輸寬帶化、信息處理高速化、信息存儲(chǔ)大容量以及軍用裝備小型、高精度化的需求發(fā)展，半導(dǎo)體激光器的發(fā)展更為迅速，性能不斷提高，半導(dǎo)體激光器已成為世界上發(fā)展最快的激光技術(shù)之一。 在本文中，基于 柱透鏡對(duì)半導(dǎo)體激光器光束準(zhǔn)直的理論分析，設(shè)計(jì)了 相互正交的柱透鏡組作為設(shè)計(jì)模型， 對(duì) 980nm 半導(dǎo)體激光器進(jìn)行光束準(zhǔn)直，并且利用 ZEMAX 軟件對(duì) 設(shè)計(jì) 系統(tǒng)各部分準(zhǔn)直效果進(jìn)行 模擬 。所以在幾乎所有要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域中，其輸出光束都必須通過(guò)特殊的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)直。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 基于 980nm 半導(dǎo)體激光器 光束準(zhǔn)直系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 學(xué) 院： 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 2020 年 6 月 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 基于 980nm 半導(dǎo)體激光器光束準(zhǔn)直系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘要 ： 半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、功耗低和可直接調(diào) 制等優(yōu)點(diǎn)，在激光雷達(dá)、激光通信、固體激光器的抽運(yùn)、激光泵浦、激光掃描、激光測(cè)距、激光指揮筆等方面得到了非常廣泛的應(yīng)用。 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(chǎng)發(fā)散角和平行于結(jié)平面方向的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角相差較大。 柱透鏡因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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，但普通的柱透鏡其準(zhǔn)直能力非常有限，為了提高柱透鏡的光束準(zhǔn)直能力，就有必要設(shè)計(jì)出更加合理和可行的結(jié)構(gòu)。 關(guān)鍵字： 半導(dǎo)體激光器， 光束 準(zhǔn)直， 柱透鏡 ，高斯光束 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 Based on the 980nm semiconductor laser beam collimation system design Abstract： Owing to its pactness， lightness,and low cost,semiconductor laser play an important role as coherent source in various fields of technology such as military,industry and medicine use and so on. However,the output beam quality of semiconductor laser is poor． Because of the waveguide properties of their active areas,semiconductor lasers generate large divergenceangle beams with alliptically shaped intensity the beam of semiconductor laser has ,the output beam must be collimated by optical systems in most practical work. Because of simple structure and easy fabricating， the cylindrical lenses have been used in many practical applications for beam collimating of semiconductor lasers. In this paper, Based on the cylindrical lens for semiconductor laser beam collimation theory analysis, Design of orthogonal cylindrical lens group as a design model, The 980nm semiconductor laser beam collimation,and using the ZEMAX software to the design of each part of the system of collimating and shaping effects simulation. Key words： Semiconductor Laser,Beam collimation, Cylindrical lens, Gaussian beam 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 I 頁(yè) 共 II 頁(yè) 目 錄 1 緒論 ?????????????? ?? ?????? ??????? ??? 1 選題目的及意義 ??? ??????? ???? ?????????? ? ? 1 980nm 半導(dǎo)體激光器的發(fā)展及其應(yīng)用 ? ???????? ?? ???? ? ? 1 半導(dǎo)體激光器發(fā)展史???????????? ?????? ?? ? ?? 1 980nm半導(dǎo)體激光器的研究狀況 ???? ???? ??? ? ????? ? ? 3 980nm 半導(dǎo)體激光器的主要應(yīng)用????????? ?????????? 4 準(zhǔn)直技術(shù)的意義與研究???? ?? ??? ??? ???????? ? ?? 5 半導(dǎo)體激光器光束準(zhǔn)直的意義 ????????? ?????????? 5 準(zhǔn)直技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向 ???????? ?????????? 6 本論文主要工作 ??????????????????????????? 7 本章小結(jié) ??????????????? ??????????????? 8 2 半導(dǎo)體激光器????????? ??????????????????? 9 半導(dǎo)體激光器的基本原理?????????? ????????????? 9 受激輻射????????? ???????????????????? 9 實(shí)現(xiàn)條件 ??? ????????? ?? ??????????????? 9 半導(dǎo)體激光器的器件結(jié)構(gòu)???????? ???????????? ?? 10 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器???????????? ?????? ????? 10 量子阱半導(dǎo)體激光器???????????? ??????????? 11 表面發(fā)射激光器??????????????????????? 13 半導(dǎo)體激光器的優(yōu)缺點(diǎn)????????? ?????????????? 13 本章小結(jié)?????????????? ????????????? ? ? 14 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 II 頁(yè) 共 II 頁(yè) 3 半導(dǎo)體激光器的光束準(zhǔn)直理論?????????? ??????????? 15 半導(dǎo)體激光器的光束特性????????? ????????????? 15 高斯光束的基本理論???????? ???????????????? 15 激光束準(zhǔn)直系統(tǒng)介紹???????????????????????? 16 圓柱透鏡 系統(tǒng)????????? ????????????????? 16 非球面柱透鏡準(zhǔn)直系統(tǒng)????????????????????? 17 光纖耦合系統(tǒng)????????????? ??????????? ? ? 18 棱鏡組折反射光束整形?????????? ???????????? 20 異型棱 鏡光束整形??????????? ??????????? ? ? 21 本章小結(jié)?????????????????????????? ? ?? 22 4 半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)?????????? ???????????? 23 準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案???????????? ????????????? 23 準(zhǔn)直設(shè)計(jì)優(yōu)化仿真?????????????? ??????????? 27 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件????????????? ????????????? 27 ZEMAX 軟件仿真??? ?????????? ???????????? 27 本章小結(jié)??????????????? ????????????? 30 5 全文總結(jié)????????????????? ????????????? 31 主要工作及結(jié)論????????????? ????????????? 31 工作展望??????????????? ?????????????? 31 參考文獻(xiàn)???????????????? ???????? ???? ??? 32 致謝 ??????????????? ?????? ? ?? ???? ? ? ?? 34清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 1 頁(yè) 共 34 頁(yè) 1 緒論 自從 1962 年第一臺(tái)半導(dǎo)體激光器發(fā)明以來(lái) ，經(jīng)歷 40多年的發(fā)展，半導(dǎo)體激光器以自身的優(yōu)勢(shì)，極大地推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，是二十世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一。它的應(yīng)用幾乎覆蓋了整個(gè)光電子學(xué)領(lǐng)域，成為當(dāng)今光電子學(xué)的核心技術(shù)之一。由于半導(dǎo)體激光器具有易于調(diào)制、重量輕、體積小、發(fā)射功率大等優(yōu)點(diǎn)，常將其作為通信系統(tǒng)中基本的光源。 因此 設(shè)計(jì)一種實(shí)用 的大功率 半導(dǎo)體激光器光束準(zhǔn)直 系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義 。 1． 2 980nm 半導(dǎo)體激光器 的 發(fā)展 及其 應(yīng)用 980nm 大 功率半導(dǎo)體激光器是在上世紀(jì) 90 年代初隨著量子阱材料生長(zhǎng)技術(shù)的成熟發(fā)展起來(lái)的新型器件，采用 InGaAs 應(yīng)變層量子阱結(jié)構(gòu)作為有源區(qū) [1] ， 是當(dāng)代超晶格微結(jié)構(gòu)理論和超晶格生長(zhǎng)技術(shù)發(fā)展的一次成功應(yīng)用。 1953 年，美國(guó) John Von Neumann 在一片未發(fā)表的論文手稿中第一個(gè)論述了在半導(dǎo)體中產(chǎn)生受激發(fā)射的可能性，認(rèn)為可以通過(guò)想 PN 結(jié)注入少數(shù)載流子來(lái)實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射，計(jì)算了在兩個(gè)布里淵區(qū)之間的輻射躍遷速率。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 2 頁(yè) 共 34 頁(yè) 1958 年， Pierre Aigrain 在布魯塞爾的一次國(guó)際會(huì)議上的發(fā)言中，第一個(gè)公開發(fā)表了在半導(dǎo)體中得到相干光的觀點(diǎn)。 1962 年，美國(guó)研究小組宣布獲得了第一個(gè)實(shí)用的在低溫下工作的半導(dǎo)體激光器 。受激輻射的閾值電流密度特別高，因此只能在液態(tài)氮和脈沖狀態(tài)工作，缺乏實(shí)用價(jià)值。 1967 年， IBM 公司的 Woodall 成功的用液態(tài)外延生長(zhǎng)技術(shù)，制成了 GaAsGaAlAs單異質(zhì)結(jié)激光器，一反過(guò)去用擴(kuò)散法形成同質(zhì) PN 結(jié)的慣例，并且使得閾值電流下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)。 1970 年，美國(guó)的 Hayashi 和 Panish 報(bào)道了雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的閾值電流密度又降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，這標(biāo)志著半導(dǎo)體激光器進(jìn)入了第三個(gè)發(fā)展階段 —— 雙異質(zhì)結(jié) 注入型半導(dǎo)體激光器。為改善半導(dǎo)體激光器的工作特性，在對(duì)注入有源區(qū)的載流子和其內(nèi)輻射復(fù)合所產(chǎn)生的光子進(jìn)行了限制，研究了多元固溶體形成良好結(jié)晶的外延生長(zhǎng)辦法。在幾年內(nèi)，從遠(yuǎn)紫外到遠(yuǎn)紅外的一個(gè)廣闊波段范圍內(nèi)探索了不少能產(chǎn)生受激光發(fā)射的材料。從 20世紀(jì) 70 年代末開始，半導(dǎo)體激光器明顯向著兩個(gè)方向發(fā)展，一類是以傳遞信息為目的清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 3 頁(yè) 共 34 頁(yè) 的信息型激光器，另一類是以提高光功率為目的的功率型激光器。 980nm 半導(dǎo)體激光器的 研究狀況 目前國(guó)際上研制、生產(chǎn)高功率 980nm 光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器的公司主要有：Boe