【正文】 室溫下連續(xù)工作，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究，異質(zhì)結(jié)構(gòu)是一大突破。19681970年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研究成功GaAsGaAlAs單異質(zhì)結(jié)激光器，室溫閾值電流進(jìn)一步降低，標(biāo)志著半導(dǎo)體激光器進(jìn)入了第二個(gè)發(fā)展階段——單異質(zhì)注入型激光器。1963年，美國(guó)Kroemer和蘇聯(lián)的Alferov提出把一個(gè)窄帶隙的半導(dǎo)體材料夾在兩個(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(kāi)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(chēng)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)散角分別約和，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。清華大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)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(zhuān) 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 2012年 6 月第 II 頁(yè) 共II頁(yè)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B(niǎo)ased on the 980nm semiconductor laser beam collimation system designAbstract：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 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)………………………………………………………………………………82 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)……………………………………………………………………………143 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)……………………………………………………………………………224 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)…………………………………………………………………………305 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第 II 頁(yè) 共II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(lèi)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)，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