【正文】 體激光器的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）體積小、重量輕、價(jià)格便宜。半導(dǎo)體激光器是直接的電子光子轉(zhuǎn)換器，因而它的轉(zhuǎn)換效率很高。（3）室溫下可連續(xù)震蕩?？梢酝ㄟ^(guò)選用不同的半導(dǎo)體激光器有源材料或改變多元化合物半導(dǎo)體各組員的組分，而得到范圍很廣的激射波長(zhǎng)以滿足不同需要。在這個(gè)范圍內(nèi)可以任意選擇激射波長(zhǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶光放大器。把信號(hào)重疊在驅(qū)動(dòng)電流上，在直流到GHz波段的寬頻范圍內(nèi)，可以調(diào)制振蕩強(qiáng)度、相位和頻率。用單橫模的激光器可以得到空間上相干性高的輸出光。采用增益開關(guān)和鎖模等方法，以簡(jiǎn)單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就能獲得從ns到ps的超短光脈沖。（10）可靠性高，使用壽命最長(zhǎng)?？梢院凸馓綔y(cè)器、光調(diào)制器和電子電路元件集成在一個(gè)陳地上，得到高性能的單片集成器件。工作特性與溫度有顯著關(guān)系，環(huán)境溫度變化可引起激射。（3） 容易產(chǎn)生噪聲。輸出光由端面以放射形式發(fā)出成為發(fā)散光，要獲得平行光必須要有外部透鏡。3 半導(dǎo)體激光器的光束準(zhǔn)直理論半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量非常差，所以在半導(dǎo)體激光器的實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)其光束的準(zhǔn)直以提高其光束質(zhì)量是一件非常重要的事情，這也是本文的主要工作。3．1 半導(dǎo)體激光器的光束特性由于半導(dǎo)體激光器的特殊結(jié)構(gòu)，造成了其光束與其他激光極為不同的遠(yuǎn)場(chǎng)特性。（a）垂直于結(jié)平面方向的光束 （b）平行于結(jié)平面方向的光束 激光器輸出光束模型對(duì)于一個(gè)發(fā)射極而言，由于在平行面方向發(fā)光區(qū)尺寸很大，大約為 (具體數(shù)值由輸出功率決定)，此方向激光器不再會(huì)是處于基橫模工作狀態(tài)，在遠(yuǎn)場(chǎng)一般表現(xiàn)為雙峰結(jié)構(gòu)。3．2 高斯光束的基本理論激光是一種光線束，它的幅射照度(或光強(qiáng))的分布是呈高斯型的，因此稱之高斯光束。由于透鏡的變換作用只改變相位而不改變光強(qiáng)的分布，因此高斯光束經(jīng)透鏡變換后仍保持高斯光束的形式。沿z軸傳播的高斯光束,以其束腰位置為原點(diǎn),等相位面的光斑半徑確定公式： （）其中w0為基模高斯光束的腰斑半徑,f為高斯光束的共焦參數(shù),且。分析可得，入射光束的束腰在透鏡的前焦面上，經(jīng)簡(jiǎn)透鏡變換后的束腰在透鏡的后焦面上，并且其腰斑達(dá)到極大值。3．3 激光束準(zhǔn)直系統(tǒng)介紹 圓柱透鏡系統(tǒng)為了提高半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量，常采用以一段低數(shù)值孔徑的光纖作為圓柱透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光快軸方向光束的準(zhǔn)直是一種容易實(shí)現(xiàn)、價(jià)格低廉且能滿足多種使用要求的方法。 圓柱面透鏡準(zhǔn)直光路半導(dǎo)體激光器有源區(qū)只有的厚度，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(gòu)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(duì)稱。半導(dǎo)體激光器發(fā)光線安放在與透鏡軸線距離為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(jīng)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。如果令A(yù)=且B=，則有：α`=Aα+Bα3 （）根據(jù)上面得到的結(jié)論，圓柱透鏡準(zhǔn)直系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是考慮A、B的取值，事實(shí)上就是參數(shù)K和n的合理選擇。只要適當(dāng)?shù)拇_定A、B的值，就可以使光束得到最佳的準(zhǔn)直效果。但是，我們可以看出圓柱透鏡的準(zhǔn)直效率并不太高，在準(zhǔn)直度要求很高的情況下，該方案往往難以滿足應(yīng)用要求。下面是對(duì)其準(zhǔn)直原理的簡(jiǎn)單介紹。α是光線與Z軸的夾角，α`是光線在透鏡中的折射角，β`和β是光線在透鏡出射面上的入射和折射角，假定折射光線與Z軸平行，則β正好等于非球面在該點(diǎn)曲率半徑矢量與Z的夾角。非球面柱透鏡準(zhǔn)直半導(dǎo)體激光束在理論上可以達(dá)到完全準(zhǔn)直的效果，從而也是在一些要求很高的系統(tǒng)中常用的方法之一。 光纖耦合系統(tǒng)，在這里，條型激光線陣是以Spectra Diode Laboratories SDL3230T為例，其輸出光斑尺寸為10mm*lm。為了使微柱透鏡的直徑與光纖線陣的尺寸相對(duì)應(yīng)，微柱透鏡的直徑應(yīng)小于90m，如80m。為了把多根光纖粘和在一起，要找到一種低折射率的,可以打磨的粘合材料。 光纖耦合系統(tǒng)示意圖這種方案的設(shè)計(jì)中可以用于提高耦合效率的方法主要有：(1)在光纖耦合系統(tǒng)的輸入端連續(xù)排列光纖；(2)光纖耦合系統(tǒng)輸入和輸出端面鍍AR膜：(3)采用間接耦合的方式，先用微柱透鏡將LD的快軸方向進(jìn)行準(zhǔn)贏再耦合進(jìn)光纖，這樣得到的光束空間發(fā)散均勻。這種光纖耦合輸出不僅簡(jiǎn)化了應(yīng)用條件，也改善了輸出光束的非對(duì)稱性，且激光束經(jīng)過(guò)一段距離的光纖傳輸后，在輸出截面上的強(qiáng)度得到勻化，提高了輸出光束的質(zhì)量，傳輸過(guò)程中的光能損失也很小，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)LD光源之間的輸出光耦合或組合，使輸出功率得到相對(duì)于單管數(shù)十倍的提高。 棱鏡組折反射光束整形美國(guó)的Apollo Instrttment公司提出了幾種高效的光束整形方法，其中一些還創(chuàng)造了亮度的最高記錄。該方法重排光斑較好，能大大提高LDA光束質(zhì)量，易于實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)調(diào)整簡(jiǎn)單，微鏡數(shù)不受LDA節(jié)數(shù)限制。第1組n個(gè)棱鏡用來(lái)將LDA光束在慢方向分割成n部分后，第2組n個(gè)棱鏡用來(lái)在快方向上將分割后的n部分光束重排列。兩組棱鏡中，各片棱鏡以斜邊為基準(zhǔn)，依次按一定間距錯(cuò)位放置，光束在不同位置被截成一段段的。然后出射光進(jìn)入第2個(gè)棱鏡組，被重新排列輸出。用兩組光楔(或折射棱鏡)進(jìn)行光束分割和重排也可得到與P5一樣的光斑。 異型棱鏡光束整形西安電子科技大學(xué)的研究生高權(quán)華及曾曉東教授及人研究設(shè)計(jì)出異形棱鏡光束整形方法。第一步，光線經(jīng)空氣傳輸至棱鏡入射面，于（x1,y1）處發(fā)生折射，根據(jù)Snell定律，sinθ=nsinθ1，由于nl，故而θθ1，發(fā)散角得到初步壓縮，并且：x1d1 ()y1y0=(x1x0)tanθ1 ()其中，(xo，y0)為Emitter的坐標(biāo)，d1為Emitter到入射面的距離。反射光線與光軸的夾角為θ2：θ2=θ12α () 可見，光束的發(fā)教角得到了壓縮，壓縮的大小可由()式得出。有：x3=L+d1 ()y3y2=(x3x2)tanθ2 ()其中，θ2為(x3,y3)處的入射角。利用該方法可以得到4mm*6mm的近似均勻的光斑，在這個(gè)范圍內(nèi)的光能量占總輻射能量的80％，作為一種十分簡(jiǎn)單的系統(tǒng)獲得這樣高的效率對(duì)許多應(yīng)用場(chǎng)合是十分重要的。對(duì)于堆積式半導(dǎo)體激光器，異性棱鏡式一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、高效的光束整形元件。這對(duì)許多重要應(yīng)用，如醫(yī)療等場(chǎng)合是非常有價(jià)值的。4 半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)4．1 準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本次設(shè)計(jì)是對(duì)980nm半導(dǎo)體激光器光束的準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)，發(fā)光光源采用穩(wěn)定腔的980nm半導(dǎo)體激光器。 半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束在子午面和弧矢面的發(fā)散特性是不同的，在子午面激光束的發(fā)散角度在范圍內(nèi)變化，在弧矢面激光束的發(fā)散角度在范圍內(nèi)變化。由于柱透鏡只對(duì)垂直于柱面鏡軸線方向的光束壓縮發(fā)散角，而對(duì)與軸線方向平行的光束沒(méi)有壓縮發(fā)散角的作用，因此，兩個(gè)半柱透鏡相互垂直放置可以分別準(zhǔn)直半導(dǎo)體激光器兩個(gè)方向的發(fā)散角。 準(zhǔn)直系統(tǒng)示意圖系統(tǒng)由相互正交的柱透鏡(均為平凸透鏡)組成。對(duì)于前透鏡的設(shè)計(jì)，由以上理論分析可將準(zhǔn)直透鏡前表面設(shè)計(jì)為一平行于 xy面的曲柱面，且凸面向前，設(shè)為面。對(duì)于后透鏡的設(shè)計(jì)，由于后透鏡主要是對(duì)弧矢面光線進(jìn)行準(zhǔn)直，透鏡后表面設(shè)為曲面，曲面方程由弧矢面光線計(jì)算確定。根據(jù)幾何光學(xué)和幾何關(guān)系可得： （） （） （）由費(fèi)馬定律可得： （）對(duì)曲面運(yùn)用費(fèi)馬定律，同時(shí)假設(shè)曲面左側(cè)為單一玻璃介質(zhì)，右側(cè)為空氣介質(zhì)。且點(diǎn)位于橢圓的左焦點(diǎn)處。 ZEMAX是將實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念、優(yōu)化、分析、公差以及報(bào)表集成在一起的一套綜合性的光學(xué)設(shè)計(jì)仿真軟件，具有上手容易，功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，基本可以滿足光學(xué)設(shè)計(jì)要求。ZEMAX是美國(guó)Focus Software公司所開發(fā)出的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，可做光學(xué)組件設(shè)計(jì)與照明系統(tǒng)的照度分析，也可建立反射，折射，繞射等光學(xué)模型，是套可以運(yùn)算Sequential及NonSequential的軟件。 ZEMAX軟件仿真此次設(shè)計(jì)利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX對(duì)準(zhǔn)直系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。 980nm半導(dǎo)體激光器參數(shù)光學(xué)參數(shù)光纖參數(shù)電氣參數(shù)中心波長(zhǎng)公差nm光纖數(shù)值孔徑0．2NA輸出功率500W譜線寬度5nm纖維芯400功率轉(zhuǎn)換效率35%快軸發(fā)散角芯折射率閾值電流10A慢軸發(fā)散角光纖連接器QBH工作電流60A斜率效率7工作電壓22V在非序列模式下，首先對(duì)相互正交的圓柱透鏡組合陣列進(jìn)行三維仿真設(shè)計(jì)，仿真的激光源采用Source diode，發(fā)光源的數(shù)目為6，準(zhǔn)直透鏡材料為BK7。 準(zhǔn)直系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)（單位：mm） 柱透鏡參數(shù)數(shù)值孔徑焦距弧矢發(fā)散角子午發(fā)散角固有象散空氣折射率玻璃折射率16mm1。 焦平面能量分布圖 mrad，并且所成的像為一圓形光斑，達(dá)到了壓縮發(fā)散角，準(zhǔn)直光束的目的。仿真分析結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的準(zhǔn)直系統(tǒng)能有效壓縮半導(dǎo)體激光光束快、慢軸發(fā)散角，形成圓形光斑，有效提高了激光器光束質(zhì)量。適當(dāng)調(diào)整以上各結(jié)構(gòu)參量，能有效提高準(zhǔn)直系統(tǒng)的準(zhǔn)直效果。采用相互正交的非球面柱透鏡組作為設(shè)計(jì)模型，用計(jì)算機(jī)仿真為平臺(tái)，采用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件 ZEMAX 對(duì)其進(jìn)行了仿真。 工作展望半導(dǎo)體激光器在軍事、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等許多方面有著重要的應(yīng)用前景。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。光學(xué)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在高精度激光準(zhǔn)直設(shè)計(jì)中，具有接近衍射極限的準(zhǔn)直效果，盡可能小的像差和小型化設(shè)計(jì)是我們?cè)O(shè)計(jì)中力求達(dá)到的目標(biāo)，怎樣有效的將三者結(jié)合設(shè)計(jì)生產(chǎn)出最好的準(zhǔn)直系統(tǒng)，有待于下一步進(jìn)行更深入的研究。像差郝老師淵博的學(xué)識(shí)，極其敏銳的科學(xué)洞察力，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，踏實(shí)的工作作風(fēng)，以及認(rèn)真負(fù)責(zé)、關(guān)心學(xué)生的育人理念，令我敬佩不已，將在我以后的工作和生活中起到積極而深遠(yuǎn)的影響。置身其間，潛移默化，使我在思考方式、研究方法上都有了全新的認(rèn)識(shí)。在設(shè)計(jì)中了解到了知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合的重要性，促使我以后能更全面的掌握所學(xué)知識(shí)，并能很好的應(yīng)用到工作當(dāng)中去。感謝評(píng)閱論文的各位老師！感謝參加論文答辯的答辯委員會(huì)主席、