半导体激光器准直管物镜设计
基于ZEMAX的半导体激光器非球面准直透镜设计
（中北 大学 电子测试技术 国家重点实验室 ，山西 太原 ０３００５１）
摘 要 ：为 了解 决半 导体 激光器 出射光 束发散 角 大 的 问题 ，根 据 几何 光 学原 理 ，分 别针 对 半 导 体 激 光器 弧矢和 子 午方 向的不 同发 散角度 建 立 数 学模 型 ，设 计 出 了在 两个 相 互 垂 直 的方 向上 具有 不 同非球 面面 型 的非球 面透 镜 ，并 在 ＺＥＭＡＸ光 学设 计 软 件 中进 行 了仿 真 。经 非球 面 准 直透镜 准 直之 后 ，半 导体 激光器 快 慢轴 方 向 的发 散 角 分别 从 ３５。和 ７．５。压 缩 到 了 １．８ ｍｒａｄ和 ０．８４ ｍｒａｄ，在 距 离光 源 １０ １ＴＩ处接 收 面上 的总 光功率 为 ０．４９７ Ｗ ，光 能利用 率高 达 ９９．４％ 。 结 果表 明，在 相 互垂直 的方 向上 具有 不 同面 型 的非球 面准 直 透 镜 对半 导 体 激 光器 的准 直具 有 良 好 的效果 。 关 键词 ：半 导体 激光 器 ；非球 面透镜 ；ＺＥＭＡＸ；准 直 中图分 类 号 ：ＴＮ２４８ 文 献标 识码 ：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－５０７８．２０１３．１２．１５
基金项 目：国家 自然科学 基金 （Ｎｏ．６１０７８０３６）；山西省 重大专 项 （Ｎｏ．２０１１１１０１０４５）资 助 。
作者简介 ：杜彬彬 （１９８８一），女 ，硕士研究生 ，主要从 事光学设 计 以及红外气体 传感 器气 室结 构设 计 等方 面研 究 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｕｂｉｎｂｉｎ—
第 ４３卷 第 １２期 ２０１３年 １２月
一种自准直仪摄远物镜光学结构的设计
第38卷第5期2016年10月光学仪器OPTICAL INSTRUMENTS Vol. 38，No. 5 October, 2016文章编号：1005-5630(2016)05-0430-04一种自准直仪摄远物镜光学结构的设计闫钰锋，周翔，王世峰(长春理工大学光电工程学院，吉林长春130022)摘要：设计了一种采用波长为650 n m的单色红光为光源，焦距为450 mm，D// = l: 9. 375,视 场角2w=0. 6°的摄远物镜，主要应用在自准直仪上，利用其筒长小于系统焦距的特点，可以使仪 器的体积更加小巧，方便携带。
摄远结构可校正系统的球差、彗差、色差、象散和场曲。
采用波 长为650 n m的红光光源，所以不用考虑色差的因素。
摄远结构筒长L与系统焦距/'之比控制 在2/3〜3/4之间，摄远比达到了0. 54。
M T F曲线也达到了衍射极限，可有效提高检测精度，仪 器的测量范围在1. 5 m之内。
最后推导出了通过修调正负镜组之间的间隔来对仪器的示值误 差进行补偿公式。
关键词：摄远结构；自准直仪；摄远比中图分类号：TH 741. 1 文献标志码：A doi: 10. 3969/j. issn. 1005-5630. 2016. 05. 010The optical structure design of telephoto lens for autocollimatorYAN Yu f eng, ZHOU Xiang ,WANG Shi f eng(College of Optoelectronic Engineering,Changchun U n ive rsity of Science and Technology,Changchun 130022,China)Abstract: This paper presents a telescope with a wavelength of 650 nm of red light source?f/ = 4：50 mm?D/丫 = 1: 9. 375，FOV=0. 6°. Mainly used in Autocollimator, with its features of barrel length of less than focal length? it can make the instrument more compact，which results in a portable instrument. Telephoto structure can correct the aberration? coma，chromatic aberration，astigmatism and curvature of field of the system, without consideration of chromatic aberration because of using a wavelength of 650 nm red light. The proportion of telephoto structural length L and focal length /'is from 2/3 to 3/4. It reaches 0. 54. MTF curve has reached a diffraction limit, which can effectively improve the detection accuracy. The measuring range of the instrument is between 0 to 3 m. At last? our derivation of a formula that by adjusting the distance between the lenses could compensate the indication error.Keywords：telephoto structure；autocollimator；proportion of telephoto引言在几何量计量领域，小角度的测量是很重要的一部分，而自准直仪是小角度测量中应用最广、最多的 高精度仪器。
课程设计1半导体激光器准直物镜设计
《半导体激光器准直物镜设计》
一、已知条件
充分掌握工程光学的理论和典型光路的基础上，利用像差理论进行简单光路的光学参数计算和设计，并利用Zemax光学设计软件进行仿真和参数优化，达到理论和实际应用相结合。
二、设计要求
灵活运用工程光学课程重所讲授的内容，进行近轴光路的计算，设定初始光学参数；熟悉Zemax光学设计软件的基本功能和用法，并进行简单光路的模拟和优化。
设计要求：采用双胶合（Doublet）结构，D/f=1/3，通光口径D：5 mm
半视场角：0°设计波长：0.656um
计算：系统焦距f，后焦距（BFL）
半导体激光器准直物镜设计（双胶合结构）参数
三、要完成的任务
1、根据设计要求完成参数的计算，并利用Zemax软件进行参数的优化，最终得到半导体激光器准直物镜的设计参数，以及相应物镜结构与光线追迹图。
2、撰写设计说明书，封皮统一，正文格式规范，用A4纸打印装订。
基于ZEMAX的半导体激光器非球面准直透镜设计
基于ZEMAX的半导体激光器非球面准直透镜设计杜彬彬;高文宏;李江澜;石云波;徐美芳;赵鹏飞;王艳红【摘要】为了解决半导体激光器出射光束发散角大的问题,根据几何光学原理,分别针对半导体激光器弧矢和子午方向的不同发散角度建立数学模型,设计出了在两个相互垂直的方向上具有不同非球面面型的非球面透镜,并在ZEMAX光学设计软件中进行了仿真.经非球面准直透镜准直之后,半导体激光器快慢轴方向的发散角分别从35°和7.5°压缩到了1.8 mrad和0.84 mrad,在距离光源10 m处接收面上的总光功率为0.497W,光能利用率高达99.4％.结果表明,在相互垂直的方向上具有不同面型的非球面准直透镜对半导体激光器的准直具有良好的效果.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2013(043)012【总页数】5页(P1384-1388)【关键词】半导体激光器;非球面透镜;ZEMAX;准直【作者】杜彬彬;高文宏;李江澜;石云波;徐美芳;赵鹏飞;王艳红【作者单位】中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西太原030051【正文语种】中文【中图分类】TN2481 引言半导体激光器(Laser diode，LD)具有体积小、成本低、波长范围宽、易于集成等优点，已被广泛应用于医疗、军事、材料加工、激光模拟、光信息处理以及生命科学研究等领域［1－3］。
但由于其自身量子阱波导结构的限制，半导体激光器出射光束存在不对称的较大发散角、输出光束不均衡、存在固有像散等缺点，尤其在大功率半导体激光器阵列的集成应用中，由于半导体激光器单管发散角太大，造成了严重的光能量损失，大大降低了耦合效率。
推荐-基于980nm半导体激光器光束准直系统的设计 精品
说明书基于980nm半导体激光器光束准直系统的设计学生姓名：学号：学院：专业：指导教师：20XX年 6 月基于980nm半导体激光器光束准直系统的设计摘要：半导体激光器具有体积小、重量轻、功耗低和可直接调制等优点，在激光雷达、激光通信、固体激光器的抽运、激光泵浦、激光扫描、激光测距、激光指挥笔等方面得到了非常广泛的应用。
由于半导体激光器的结构特点，使得它发出的光束在垂直于结平面方向上远场发散角和平行于结平面方向的远场发散角相差较大。
所以在几乎所有要求较高的应用领域中，其输出光束都必须通过特殊的光学系统进行准直。
柱透镜因其结构简单、材料便宜以及加工容易而在半导体激光束准直领域获得较多的应用，但普通的柱透镜其准直能力非常有限，为了提高柱透镜的光束准直能力，就有必要设计出更加合理和可行的结构。
在本文中，基于柱透镜对半导体激光器光束准直的理论分析，设计了相互正交的柱透镜组作为设计模型，对980nm半导体激光器进行光束准直，并且利用ZEMAX软件对设计系统各部分准直效果进行模拟。
关键字：半导体激光器，光束准直，柱透镜，高斯光束清华大学20XX届说明书Based on the 980nm semiconductor laser beamcollimation 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 divergence-angle beams with alliptically shaped intensity profile.And the beam of semiconductor laser has astigmatism.So,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目录1 绪论 (1)1.1 选题目的及意义 (1)1.2 980nm半导体激光器的发展及其应用 (1)1.2.1 半导体激光器发展史 (1)1.2.2 980nm半导体激光器的研究状况 (3)1.2.3 980nm半导体激光器的主要应用 (4)1.3 准直技术的意义与研究 (5)1.3.1 半导体激光器光束准直的意义 (5)1.3.2 准直技术的研究现状和发展方向 (6)1.4 本主要工作 (7)1.5 本章小结 (8)2 半导体激光器 (9)2.1 半导体激光器的基本原理 (9)2.1.1 受激辐射 (9)2.1.2 实现条件 (9)2.2 半导体激光器的器件结构 (10)2.2.1 异质结半导体激光器 (10)2.2.2 量子阱半导体激光器 (11)2.2.3 表面发射激光器 (13)2.3 半导体激光器的优缺点 (13)2.4 本章小结 (14)3 半导体激光器的光束准直理论 (15)清华大学20XX届说明书3.1 半导体激光器的光束特性 (15)3.2 高斯光束的基本理论 (15)3.3 激光束准直系统介绍 (16)3.3.1 圆柱透镜系统 (16)3.3.2 非球面柱透镜准直系统 (17)3.3.3 光纤耦合系统 (18)3.3.4 棱镜组折反射光束整形 (20)3.3.5 异型棱镜光束整形 (21)3.4 本章小结 (22)4 半导体激光器准直系统设计 (23)4.1 准直系统设计方案 (23)4.2 准直设计优化仿真 (27)4.2.1 光学设计软件 (27)4.2.2 ZEMAX软件仿真 (27)4.3 本章小结 (30)5 全文总结 (31)5.1 主要工作及结论 (31)5.2 工作展望 (31)参考文献 (32)致谢 (34)1 绪论自从1962年第一台半导体激光器发明以来，经历40多年的发展，半导体激光器以自身的优势，极大地推动了科学技术的进步，是二十世纪人类最伟大的发明之一。
大功率半导体激光器二元光学消像散准直器件设计
收稿日期：２００６－０２－１４；修订日期：２００６－０４－１１基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０２７７００４）作者简介：谢梦（１９８２－），女，吉林长春人，硕士生，研究方向为大功率半导体激光器光束的整形和耦合。
Ｅｍａｉｌ：ｍ＿ｘ＿０３＠１２６．ｃｏｍ导师简介：曾晓东（１９５６－），男，吉林长春人，博士生导师，西安电子科技大学技术物理学院院长，研究方向为激光器光学、光纤传感与测量技术及远轴传播等。
Ｅｍａｉｌ：ｘｄｚｅｎｇ＠ｘｉｄｉａｎ．ｅｄｕ．ｃｎ第３６卷第１期红外与激光工程２００７年２月Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．１ＩｎｆｒａｒｅｄａｎｄＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＦｅｂ．２００７大功率半导体激光器二元光学消像散准直器件设计谢梦，曾晓东，安毓英（西安电子科技大学技术物理学院，陕西西安７１００７１）摘要：半导体激光器发出的光束具有较大的发散角且存在像散，严重影响了其应用。
基于对半导体激光器远场分布的准确了解，提出了一种二元光学消像散准直器件的设计方法，并给出了详细的设计原理及过程。
依据已知光束等相位面的具体分布（光束的像散因子也包含在其中），可得到二元光学器件的相位分布，使光束经过此二元光学器件后，等相位面成为平面，达到了准直、消像散的目的。
此方法简单、直观，具有很高的准确性和可行性。
所得二元光学器件表面具有多位相的浮雕结构。
关键词：半导体激光器；二元光学；准直；像散中图分类号：ＴＮ２４８．４文献标识码：Ａ文章编号：１００７－２２７６（２００７）０１－０１０２－０４ＤｅｓｉｇｎｏｆａｂｉｎａｒｙｏｐｔｉｃａｌｅｌｅｍｅｎｔｆｏｒｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｐｏｗｅｒｌａｓｅｒｄｉｏｄｅｂｅａｍｓｗｉｔｈａｓｔｉｇｍａｔｉｓｍＸＩＥＭｅｎｇ，ＺＥＮＧＸｉａｏ!ｄｏｎｇ，ＡＮＹｕ!ｙｉｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＴｅｃｈｎｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ，ＸｉｄｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ′ａｎ７１００７１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｂｅａｍｑｕａｌｉｔｙｏｆｌａｓｅｒｄｉｏｄｅｉｓｖｅｒｙｐｏｏｒ，ｗｈｉｃｈａｆｆｅｃｔｓｉｔｓｕｓｅｈｅａｖｉｌｙ．Ｂａｓｅｄｏｎａｃｃｕｒａｔｅｆａｒ!ｆｉｅｌｄｍｏｄｅｌｏｆｈｉｇｈｐｏｗｅｒｌａｓｅｒｄｉｏｄｅ，ａｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｆｂｉｎａｒｙｏｐｔｉｃａｌｅｌｅｍｅｎｔｆｏｒｌａｓｅｒｄｉｏｄｅｂｅａｍｓ，ｗｈｉｃｈｃａｎｃｏｒｒｅｃｔｔｈｅａｓｔｉｇｍａｔｉｓｍｏｆｔｈｅｌａｓｅｒｂｅａｍ，ｈａｓｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ａｎｄｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｈａｖｅｂｅｅｎｇｉｖｅｎｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｉｓｓｉｍｐｌｅａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｌ．Ｔｈｅｒｅｌｉｅｆｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔｉｓｏｆｍｕｌｔｉｐｈａｓｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌａｓｅｒｄｉｏｄｅ（ＬＤ）；Ｂｉｎａｒｙｏｐｔｉｃｓ；Ｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎ；Ａｓｔｉｇｍａｔｉｓｍ０引言半导体激光器（ＬＤ）具有体积小、重量轻、功率连续可调等优点。
基于980nm半导体激光器光束准直系统的设计
毕业设计说明书基于980nm半导体激光器光束准直系统的设计学生姓名：学号：学院：专业：指导教师：2012年 6 月基于980nm半导体激光器光束准直系统的设计摘要：半导体激光器具有体积小、重量轻、功耗低和可直接调制等优点，在激光雷达、激光通信、固体激光器的抽运、激光泵浦、激光扫描、激光测距、激光指挥笔等方面得到了非常广泛的应用。
由于半导体激光器的结构特点，使得它发出的光束在垂直于结平面方向上远场发散角和平行于结平面方向的远场发散角相差较大。
所以在几乎所有要求较高的应用领域中，其输出光束都必须通过特殊的光学系统进行准直。
柱透镜因其结构简单、材料便宜以及加工容易而在半导体激光束准直领域获得较多的应用，但普通的柱透镜其准直能力非常有限，为了提高柱透镜的光束准直能力，就有必要设计出更加合理和可行的结构。
在本文中，基于柱透镜对半导体激光器光束准直的理论分析，设计了相互正交的柱透镜组作为设计模型，对980nm半导体激光器进行光束准直，并且利用ZEMAX软件对设计系统各部分准直效果进行模拟。
关键字：半导体激光器，光束准直，柱透镜，高斯光束Based on the 980nm semiconductor laser beamcollimation system designAbstract：Owing to its compactness，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 divergence-angle beams with alliptically shaped intensity profile.And the beam of semiconductor laser has astigmatism.So,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目录1 绪论 (1)1.1 选题目的及意义 (1)1.2 980nm半导体激光器的发展及其应用 (1)1.2.1 半导体激光器发展史 (1)1.2.2 980nm半导体激光器的研究状况 (3)1.2.3 980nm半导体激光器的主要应用 (4)1.3 准直技术的意义与研究 (5)1.3.1 半导体激光器光束准直的意义 (5)1.3.2 准直技术的研究现状和发展方向 (6)1.4 本论文主要工作 (7)1.5 本章小结 (8)2 半导体激光器 (9)2.1 半导体激光器的基本原理 (9)2.1.1 受激辐射 (9)2.1.2 实现条件 (9)2.2 半导体激光器的器件结构 (10)2.2.1 异质结半导体激光器 (10)2.2.2 量子阱半导体激光器 (11)2.2.3 表面发射激光器 (13)2.3 半导体激光器的优缺点 (13)2.4 本章小结 (14)3 半导体激光器的光束准直理论 (15)3.1 半导体激光器的光束特性 (15)3.2 高斯光束的基本理论 (15)3.3 激光束准直系统介绍 (16)3.3.1 圆柱透镜系统 (16)3.3.2 非球面柱透镜准直系统 (17)3.3.3 光纤耦合系统 (18)3.3.4 棱镜组折反射光束整形 (20)3.3.5 异型棱镜光束整形 (21)3.4 本章小结 (22)4 半导体激光器准直系统设计 (23)4.1 准直系统设计方案 (23)4.2 准直设计优化仿真 (27)4.2.1 光学设计软件 (27)4.2.2 ZEMAX软件仿真 (27)4.3 本章小结 (30)5 全文总结 (31)5.1 主要工作及结论 (31)5.2 工作展望 (31)参考文献 (32)致谢 (34)1 绪论自从1962年第一台半导体激光器发明以来，经历40多年的发展，半导体激光器以自身的优势，极大地推动了科学技术的进步，是二十世纪人类最伟大的发明之一。
半导体激光器整形透镜设计与仿真
燕山大学课程设计说明书题目：半导体激光器整形透镜设计与传真学院(系)：信息学院年级专业：光信息科学与技术学号：学生姓名：指导教师：教师职称：副教授燕山大学课程设计（论文）任务书燕山大学课程设计评审意见表一、课设目的：1、了解光学设计的过程；2、复习光学原理和激光原理的相关知识；3、学习光学软件ZEMAX的使用。
二、题目背景：半导体激光器具有转换效率高、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、能直接调制且集成能力强等特点，而成为信息技术的关键器件。
但它的缺点也同样明显。
半导体激光器光区几何尺寸不对称，存在像散，远场呈椭圆状。
因此难于直接与光纤藕合，也难于直接用于泵浦固体激光器。
由于半导体激光器的有源层较薄，所以在横向(即图1中的y 方向)有较大的发散角。
定义在基模高斯光束峰值光强之半处的发散角全角一般为。
在侧向(即图1中的x 方向)，因有较大的有源层宽度，所以发散角较小，一般为。
x ，y 两个方向的束腰不在同一位置，即存在固有像散。
像散值一般在以上。
因此半导体激光器阵列的输出光束必须经过光学系统的整形之后才能实际应用，包括对光束进行准直，像散校正及圆化处理等。
在侧面泵浦固体激光器，或者材料加工等应用中还要求对光束进行均匀化处理。
本次课设的题目就是用柱面镜对半导体激光器发出的光束进行准直，使光束在两个方向的发散角基本相同。
三、题目要求及相关参数：要求：设计一个平-凸柱透镜。
用这个平-凸柱透镜压缩半导体激光器输出光束的横向(y 向)发散角，使光束在横向和侧向(x 向)的发散角基本相同。
60~3030~10m 2μ图1 双异质结 AlGaAs/GaAs 激光器的典型结构图2 整体结构示意图 参数：波长：808nm (长808nm 半导体激光器，可取代传统的脉冲氙灯，泵浦 Nd:YAG ，Nd:YV04等固体激光材料)半导体激光器，即图2中的LD (对应ZEMAX 软件中的Source Diode)Wavenumber ：0 (此参数在对随机光线进行追迹时使用。
半导体激光器在准直光学系统中的调整装置
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半导体激光器在准直光学系统中的调整装置
刘广利 ! 王文生 " 长春理工大学 ! 吉林 长春 !"##$$# 摘 要 $介绍了一种利用半导体激光器在准直光学系统中的调整装置 !解决了光电检测仪器中发光器件 % 光电探 测器件定位问题 & 关键词 $ 调整装置 ’ 发光器件 ’光电探测器件 中图分类号 $!%&#"’( 文献标识码 $) 文章编号 $"##$%$&&&"$##$ ("$%##*#%#$
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引 言 半导体激光器以其体积小 % 重量轻 % 不需冷却等特
准确定位在准直物镜的焦平面上 ) 沿光轴方向移动 (! 还要求半导体激光器能够在准直物镜的焦平面上平 移 ! 以便实现多光轴的平行 & 因此我们认为 ! 无论是螺 纹与端面定位 "图 !- (% 圆柱面与端面定位 " 图 !D(% 还是 多螺纹孔定位 " 图 !0 和 =(! 即 使 是 不 考 虑 激 光 器 发 光 结 的 原 始 装 配 误 差 " 误 差 一 般 在 !##E "##!B (! 也 不 能 满足仪器设计的实际需求 & 这就需要设计一套有效的 调整装置来解决问题 &
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采用组合透镜阵列准直半导体激光器线阵
采用组合透镜阵列准直半导体激光器线阵樊桂花;吴健华;孙华燕;郭惠超;梁丹华【摘要】为了满足半导体激光器线阵的远距离应用要求,需要对激光束进行准直处理.提出了一种由垂直双半圆柱透镜组合阵列构成的准直器,采用光线追迹的方法推导了激光束通过准直器的传输方程,分析了光线出射角与透镜阵列参数之间的关系,得出了准直器的最优设计参数,然后在zemax-EE非序列模式下仿真了此准直器的三维效果图以及探测器成像效果,得到的激光光斑接近于矩形,非相干照度集中在中央区域,并且经过准直器后的发散角大约为3 mrad.设计的准直透镜可以同时压缩快慢轴的激光束发散角,制作简单,安装方便.【期刊名称】《光电工程》【年(卷),期】2010(037)011【总页数】5页(P32-36)【关键词】激光;半导体激光器线阵;垂直双半圆柱透镜组合阵列;准直器【作者】樊桂花;吴健华;孙华燕;郭惠超;梁丹华【作者单位】装备指挥技术学院,光电装备系,北京101416;装备指挥技术学院,研究生院,北京101416;装备指挥技术学院,光电装备系,北京101416;装备指挥技术学院,研究生院,北京101416;装备指挥技术学院,光电装备系,北京101416【正文语种】中文【中图分类】TN248.10 引言大功率半导体激光器线阵(bar)是由多个激光二极管发射单元在一维方向上组合而成，具有体积小、光电转换效率高、工作寿命长和较高的性价比等优点，在材料加工、激光医疗、固体激光器泵浦、激光探测和激光成像等方面得到广泛的应用[1-3]。
但是，由于半导体激光器独特的发光机理，导致其发出的光束在正交的两个方向上极不对称(平行p-n结平面为慢轴方向，约为10°∼20°，垂直于p-n结平面为快轴方向，约为30°∼40°)，并且存在固有像散，严重影响了半导体激光器线阵的应用[4]。
为了拓展其应用场所，一般采用相应的准直器。
对于近距离的应用，如光盘刻录中考虑光斑的形状，采用光束整形设计；对于较远距离的激光测距、激光探测等，必须合理的设计光束准直器，以便压缩光束发散角、规范光束形貌以及提高光功率密度来满足实际应用需要。
条形半导体激光器准直方法研究
·激光原件与器件·条形半导体激光器准直方法研究赵洪卫，杨大林（西南技术物理研究所，成都610041）提要：对半导体激光准直变换、能量耦合、整形的方法等进行了研究分析，提出了条形半导体激光器准直变换的处理方法，设计了半导体激光测距准直天线。
分析计算表明，采用扩束透镜与棱镜对准直可以将输入参数为发散角10 X 40 ，发光面100!m X 1!m 的典型半导体激光束，变换为发散角在1mrad 以内的准直光束。
关键词：条形半导体激光器；发散角；扩束透镜；整形棱镜中图分类号：TN248.4文献标识码：A 文章编号：0253-2743（2006）04-0010-02The methods for the collimating of strip -geometry laserZ~AO ~ong -wei ，YANG Da -lin（Southwest Institute of Technical Physics ，Chengdu 610041，China ）Abstract ：The methods for the collimating transform ，shaping and energy coupling of the Laser Diode （LD ）beam is studied ，including that a calculating ap-proximation method of strip -geometry laser applied is put forward ，and an emitting antenna of strip -geometry laser for ranging is designed.The analyzed results of collimating antenna shows that the LD divergence of the typical parameters of divergences of 10 X 40 and luminous surface sizes of 100!m X 1!m can be com-pressed to smaller than 1mrad.Key words ：strip -geometry laser ；divergence ；extender lens ；shaping prism.收稿日期：2005-04-05作者简介：赵洪卫，男，1968年生，硕士。
激光准直系统的设计
１１ 双镜组 （ ． 逆向望远镜）系统 最合理减小激光束发散角的系统是双镜组系统 ，对激光束连续两次交换．系统的第一镜组可以是 正的，也可以是负的．负的镜组能够得到更紧凑的系统．第二镜组往往是正的，这种系统的角放大率
按下式 确定 ：
＝ ＝
器 ＝ ， √
㈩
式 中 ２ ２ 分 别 为人 射激 光束和 变换后 的激 光束 的发 散角 ， 、 分别 为人射 光束和 变换后 的光 口、 ２ ２ 束 的束腰直 径 ，Ｚ Ｚ 别为 人射 光束和 变换后光 束的等 效共焦 参数． 。分
（） （ ） ｅ 按 ５ 式计 算 出第 二镜 组 （ 正镜组 ）的焦距 ： 一 了
一
＾ 厂 ： 『＿
第二镜组 的通 光 口径 Ｄ ≥ ３
。 一
可 由下两 式求 出 ：
√ 一
丽维普资讯 第 ２ 翁 开华 等 ：激 光 准 直 系 统 的设计
相对孔径； 值，然后选择第一镜组的焦距 ．
（ ）按 照 （ ）式 求 出光学 间隔 △ ｂ ２ 一 ． ． （）按 照 （ ）式求 出经 第一 镜组变换 的激 光束 的等效共 焦参数 ｚ （ 。＝Ｚ ． ｃ ３ 。 ｚ 。 ）
（ ）由仪器 技术要 求所 给 的系统输 出光束 所必 需的发 散角 ２ ，按 照 （）式 确定 系统 的角放 大率 ｄ １
２ 实用半导体激光水准仪 的设计
近年来 ，迅速 发展起 来 的红色可见 波 段的半 导体激光 器具有 体积 小 ，驱 动简单 ，功耗小 ，寿命 长 等特 点 ，为激 光指 向测量 带来 了巨大 的希望 ．然 而 ，半导 体激光 器从 结构上来 说 ，相 当于一个矩 形波 导式 的谐振 腔 ，光束 的发散 角很大． 且发射 的光 波为非球 面波 ，与此 非球面 波相垂 直 的分别位于 子午 和弧矢 平 面内的光束 不交 于 一点 ，发 散角不 对称 ，所 以半 导体激 光器 出射 的光束是 非轴 对称 的椭 园光 束 ，若 经球面 光学 系统之 后 ，在像 空 间仍 为 非对称光束 ，变 化的 只是光束 的发 散角 ，这对于 指 向测 量 是 不能 接受的．从 理论 上讲 ， 只有 采用 非轴对 称的柱 面透镜 组系统 或棱镜 对系统 来转变 成 轴对称光束 ，
半导体激光器准直驱动电源椭圆柱透镜硕士论文
脉冲半导体激光测距发射系统的研制【关键词】半导体激光器; 准直; 驱动电源; 椭圆柱透镜;【英文关键词】semiconductor laser; collimation; driving source; elliptic section cylinder lens;【中文摘要】脉冲半导体激光测距发射系统是半导体激光测距仪的重要组成部分,主要包括脉冲半导体激光器驱动电源和发射光学准直系统。
本文通过对驱动电源电路数学模型的分析,设计了适用于中短距离测距的半导体激光发射电路系统方案,基本实现了具有重复频率高、脉冲上升沿时间短、脉冲宽度窄、峰值电流大等特点的半导体激光器驱动电路。
另外,本文结合了几何光学的分析方法,借助ZEMAX 光学设计软件,仿真出两个母线互相垂直、焦距不等、间距适当的椭圆柱透镜光学准直系统,同时对半导体激光器在快慢轴两个方向上的远场发散角进行压缩,准直后远场发散角均小于3mrad,为整个系统后续半导体激光束准直的研制奠定了基础。
【英文摘要】An emission system of pulsed semiconductor laser range finder,mostly including diode laser power supply and collimating optical system,is an important part of a laser range finder.Based on the analysis of the mathematical model of the driving source circuit,this paper designs a solution of a semiconductor laser sending system,and realizes a driving circuit which has characteristics such as high-repetition frequency,short pulse rising time,short pulse-width and high output power.Additionally,with the geometr...摘要3-4Abstract 4第一章绪论7-111.1 序言7-81.2 课题来源及意义81.3 脉冲半导体激光测距机及光源的发展8-101.4 本文主要研究内容10-11第二章半导体激光器基础11-232.1 基本原理与器件结构11-142.2 高斯光束14-162.3 空间模式16-212.3.1 半导体激光器的光束发散角18-202.3.2 半导体激光器的像散20-212.4 小结21-23第三章半导体激光器准直技术23-313.1 几何光学理论23-253.1.1 几何光学基本定律23-243.1.2 马吕斯定律24-253.1.3 费马原理253.2 光束准直技术方法25-293.2.1 单透镜准直法253.2.2 圆柱透镜准直法25-273.2.3 组合透镜法27-283.2.4 非球面柱透镜准直方法28-293.3 小结29-31第四章脉冲式半导体激光器驱动电源设计31-434.1 半导体激光器的输出特性及其驱动要求31-334.2 驱动电源电路模型33-354.2.1 模型建立与分析33-344.2.2 工作原理34-354.3 驱动电源方案设计35-404.3.1 半导体激光器选型35-364.3.2 电路系统方案设计36-404.4 驱动电源电路实验与分析40-424.5 小结42-43第五章半导体激光器光束准直系统设计43-595.1 二次曲面光束准直43-475.1.1 二次曲线方程推导44-455.1.2 入射面为椭圆面45-465.1.3 入射面为双曲面46-475.2 光束准直系统仿真设计47-575.2.1 半导体激光光束分析及仿真47-505.2.2 双椭圆柱透镜准直原理50-535.2.3 光束准直系统详细设计53-575.3 小结57-59第六章总结与展望59-616.1 总结596.2 展望59-61致谢61-63参考文献出师表两汉：诸葛亮先帝创业未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此诚危急存亡之秋也。
基于大功率led准直透镜的研究设计
基于大功率LED准直透镜的研究设计常见的大功率LED二次透镜的剖面一般具有如下结构：其作用是通过曲面1的折射和曲面2的全反射改变LED发出的光线方向以实现配光的重新分布。
本文主要通过理论计算分析适用于准直透镜的曲面设计。
以下将曲面1和曲面2，分开讨论，讨论前需假设他们具有一个共同的分界角A，这样从LED发出的光线必然能被曲面1折射或曲面2全反射。
第一部分：首先讨论中间的准直透镜部分：如下图所示，取透镜中心为Y轴，径向为决定TIR 透镜的中心准直透镜的参数主要为：r n A max,所以可以把这三个参数当做已知参数，进而推导出y 与x 的关系，然后拟合成非球面曲线，那么就可以得到中心准直透镜的非球面系数。
具体推导如下：(a) 先求出Pn+1点所在光线方程：由坐标图，我们可以知道，Pn+1点所在光线所在的直线的斜率为1k ，其中1cot k A =，那么其光线方程为1cot y A x =⋅ (1)(b) 再求Pn 点所在切线方程：设Pn 点所在切线切线的斜率2k ，且为过点Pn (Xn ,Yn)，因此应该具有如下形式： Yn Xn x k y +-⋅=)(22由于角D 与角C 的和为90°，那么Pn 所在切线斜率2cot tan k D C ==， 这样只需求出C 既可。
由折射定律sin sin B n C =，则角arcsin(sin )B n C =⋅ 于是问题转换为求角度B 。
这可以通过光线的斜率1k 和Pn 所在法线的斜率231k k -=求出。
由两直线夹角公式:111cot 132tan tan 1cot 113112tan k A k k k C B k A k k k C ++-===+⋅-- 于是有:1cot tan tan[arcsin(sin )]cot 1tan A C n C A C+⋅=- 经过进一步的计算，便可以解得：212121212)1(*1k k n k k n k -+-+=于是得Pn 点所在切线方程：Yn Xn x k y +-⋅=)(22 (2)可以近似认为Pn 的邻点Pn+1也在该切线上。
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课程设计报告课程工程光学课程设计题目半导体激光器准直物镜设计学院物理与电子工程学院年级2010 专业光电信息工程班级0503101 学号0503101学生姓名指导教师职称讲师设计时间2012. 12. 24 ~ 2013. 2. 24设计任务书目录1.题目设计与方案论证 (4)1.1设计题目 (4)1.2课题分析 (4)2.半导体激器准直物镜设计与分析 (5)2.1设定参数 (5)3. 仿真结果及相关分析 (9)3.1优化前的性能分析 (9)3.2优化后的性能特性 (10)4.小结与领悟 (16)参考文献 (17)第一章题目设计与方案论证1.1设计题目半导体激光器准直物镜设计1.1.1题目要求采用双胶合结构，D/f=1/3;通光口径5mm，半视场角0°，设计波长656nm。
1.2课题分析1.2.1 ZEMAX的简单介绍】1【ZEMAX是美国RandantZemax公司所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型。
是一套综合性的光学设计仿真软件，它不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析软件，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点，它也是一个完整的光学设计软件，是将实际光学系统的设计概念，优化，分析，公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。
包括光学设计需要的所有功能，可以在实践中对所有光学系统进行设计，优化，分析，并具有容差能力，所有这些强大的功能都直观的呈现于用户界面中。
ZEMAX功能强大，速度快，灵活方便，是一个很好的综合性程序。
ZEMAX能够模拟连续和非连续成像系统及非成像系统。
1.2.2半导体激光器准直物镜的相关参数D/f=1/3;通光口径5mm，即D为5mm，f为15mm,半视场角0°，设计波长656nm第二章半导体激光器准直物镜的设计与实现2.1设定参数2.1.1通光口径设置如图2.1.1，在主ZEMAX菜单软件中，选择系统> 通用配置，在弹出的对话框中，光圈类型选择入瞳直径，光圈数值选择5，单位mm。
图2.1.1 通光口径设置2.1.2视场设定如图2.1.2，在ZEMAX主菜单软件中，选择系统> 视场，在弹出的对话框中，视场类型选择角度，并输入三组视场数据，x与y的值为(0,0),(0,7.07)和 (0,10)，要求为半视场角为0，故先选用(0,0)。
图2.1.2 视场设定2.1.3波长设定如图2.1.3，在ZEMAX主菜单软件中，选择系统> 波长，在弹出的对话框中，选择要求的波长656nm。
图2.1.3 波长设定2.1.4镜头参数设定镜头上总共显示三个面。
物平面，在左边以OBJ表示；光阑面，以STO表示；还有像平面，以IMA表示。
根据老师给定的双胶合doublet.ses案例直接修改即可。
图2.1.4 镜头参数设定2.1.5评价函数设定如图2.1.5，先设置可变参数，然后创建评价函数]2[EFFL。
在ZEMAX主菜单软件中，选择编辑> 优化函数。
在弹出的窗口中选择工具 > 默认优化函数，设置如下图。
设置时，一定要先点击复位，后点击确定。
图2.1.5 默认优化函数设置接着修正绩效函数(Merit function)，包括系统焦距的需求。
将游标移在MFE的第一列并单击按键盘的Insert来产生新的一列，在此列的Type栏上键入EFFL（EFFL:有效焦距，以镜头长度单位表示。
它是针对近光轴系统的，对于非近轴系统可能会不准确。
）后按Enter。
这个操作数的功能是在运算出系统有效焦距，在计算有效焦距时必须设罝参考的主波长(Primary Wavelength)。
在第一列的「Wav」栏中键入为1。
接着在「Target」栏里键入15（焦距长，单位mm）并按Enter，「Weight」设为1再按Enter，最后将此视窗关闭，虽然关闭编辑视窗但设罝已储存，并不会遗失。
如图2.1.6。
图2.1.6 评价函数设置评价函数是一个如何使一个光学系统接近一组指定的目标的数值表示。
ZEMAX 使用了一系列操作数，它们分别代表系统不同的约束和目标。
操作数代表的目标如像质，焦距，放大率，和其他一些。
这些评价函数与列表中的每个操作数的目标值和实际值之差平方的加权和的平方根成比例。
评价函数是这样定义的，所以0 值代表理想状态。
优化运算法则将使这些函数值尽可能小，所以评价函数应该是你想系统达到的结果的一种表示。
然后，选择工具 > 优化 > 优化在弹出的窗口中执行最终优化，如图2.1.7。
图2.1.7 优化图第三章仿真结果及相关分析3.1优化前的性能分析3.1.1 2D草图选择分析>草图>2D草图，将出现2D草图LAYOUT。
如图3.1.1。
图3.1.1 优化前的2D草图3.1.2调制传输函数选择分析>调制传输函数]3[>快速傅里叶变换（FFT MTF），将出现FFT MTF图。
选择频率的最大空间频率范围为20HZ。
图3.1.2 优化前的调制传输函数一般通过光学系统的输出像的对比度总比输入像的对比度要差，这个对比度的变化量与空间频率特性有密切的关系。
把输出像与输入像的对比度之比成为调制传递函数（Modulation Transfer Function ，MTF ）。
因为输出图像的对比度总小于输入图像的对比度，所以MTF 值介于0~1之间。
调制传递函数]4[可用于表示光学系统的特征，MTF 越大，表示系统的成像质量越好。
3.2优化后的性能特性优化参数包括以下几类:光学特性参数,例如焦距、入瞳距离、成像尺寸或者物高、物距，镜片间空气距离、镜片厚度等等；想质参数，例如畸变、场曲、彗差等等。
ZEMAX 将所有这些要求达到的目标都作为一个优化元附加一定的权重系数组成一个优化函数，并且通过改变结构参数使得这个优化函数趋向最小。
优化函数的数学表达式为：2120t t )((）αασ-∑=F ，其中t σ 为各个优化元的权重系数，为系统结构参数光学追迹出来的各个优化元，例如焦距、畸变、彗差等等，为该优化t元的目标值。
优化过程有局部优化和全局优化两种。
3.2.1 2D草图图3.2.1 优化后的2D草图3.2.2调制传输函数调制传输函数的目的在于计算所有视场位置的衍射调制传递函数。
本功能包括衍射调制传递函数（DMTF），衍射实部传递函数（DRTF），衍射虚部传递函数（DITF），衍射相位传递函数（DPTF），方波传递函数（DSWM）。
图3.2.2 优化后的调制传输函数定义调制传递函数]5[MTF为：横坐标表示空间频率，纵坐标表示一定空间频率下像的对比度与物的对比度之比。
MTF曲线截止频率越大越好，曲线越高表明成像质量越好。
很明显由优化之后的调制传输函数的截止频率比优化之前都大大提高了，表明成像质量大大提高。
MTF 值不但可以反映镜头的反差，也可以反映镜头的分辨率。
当空间频率很低时，MTF 趋于1，这时的MTF 值可以反映镜头的反差。
这种测定光学频率的方式是以一个mm的范围内能呈现出多少条线来度量，其单位以line/mm来表示。
3.3.1调制后的镜头参数图3.3.1 优化后的镜头参数3.3.2纵向像差]6[在ZEMAX的分析菜单中有“longitudinal aberration”项目，实际上就是“轴上点的球差分析”，也就是“纵向像差”。
在这个分析图中，纵轴是“光瞳”，横轴是“像差”值。
轴上点的球差即为实际像点与理想像点的位置之差。
不同孔径角的光线交于轴上不同点处，相对于理想像点的位置有不同的偏离。
图3.3.2 优化后的纵向像差3.3.3系统数据图3.3.3 优化后的系统数据3.3.4光学系统结构图图3.3.4 优化后的光学系统结构图第四章小结与领悟对于本次课程设计的完成，较之于之前的课程设计，是有一定难度的。
老师给我们定的要求是完全按照毕业论文的要求来的，所以说通过这次课程设计我们已经掌握了我们即将面临的毕业论文所要求的基本格式。
每次课程设计都会涉及新的学术软件，但ZEMAX却复杂许多，很惭愧地说，尽管我们完成了本次课程设计但对于ZEMAX我只是学了一点皮毛而已。
寒假之初，因为个人忧患意识比较强，不放心自己回去完成，所以和小组同学在实验室呆了三天。
在实验室的三天给我所带来的收获是巨大的，让我从一窍不通到基本熟悉并知道如何完成它。
记得第一天我连通光口径都不知道在哪里设置，D/f都不知道有何意义，通过老师的帮助才得知自己的愚昧。
通过学习ZEMAX教程和相关的书籍，我们一步步的进行参数设定并优化。
只掌握课本上的知识是没用的，我的光学成绩还算可以可在课程设计时却无从下手，一些再基础不过的知识都要重新打开课本来学习，起初我很懊恼，懊恼自己的学术不精，懊恼自己没有好好学习，所以说考试成绩永远都是不真实的，不能代表你的知识掌握水平，会考试却不懂得学习不懂得专研的大学也注定是白上的。
只恨自己领悟的太晚，大学都已过大半，想想真可谓多么痛的领悟。
不去后悔了，毕竟大学的专业知识也才开始，好好把握还来得及。
说点关于课程设计的吧，得到调制传输函数MTF并不难，轻松点击一下便会出现，可调制传输函数究竟是什么意思有什么意义却是我们需要弄清楚的。
百度后得知函数的横坐标表示空间频率，纵坐标表示一定空间频率下像的对比度与物的对比度之比。
MTF曲线截止频率越大越好，曲线越高表明成像质量越好。
关于课程设计的认识我是有千言万语的，因为我开始就等于一个白痴。
在这里就不一一述说了。
在这里感谢郭老师的班助，感谢那些在实验室给予过我帮助的同学，谢谢你们。
参考文献【1】毛文炜.《光学镜头的优化设计》[M]. 北京：清华大学出版社，2009.【2】迟泽英,陈文建.《应用光学与光学设计基础》[M]. 南京：东南大学出版社，2008. 【3】袁旭沧. 《光学设计》[M]. 湖北：科技出版社，1983.【4】刘钧，高明. 《光学设计》[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006.【5】李晓彤，岑兆丰. 《几何光学像差光学设计》[M]. 浙江：浙江大学出版社，2003. 【6】郁道银，谈恒英. 《工程光学第三版》[M]. 北京: 机械工业出版社，2011.。