半导体激光器与自聚焦透镜耦合特性研究
半导体激光器的研究进展
半导体激光器的研究进展摘要：本文主要述写了半导体激光器的发展历史和发展现状。
以及对单晶光纤激光器进行了重点描述，因其在激光医疗、激光成像、光电对抗以及人眼安全测照等领域具有重大的应用价值，近年来成为新型固体激光源研究的热点。
一、引言。
激光是20 世纪以来继原子能、电子计算机、半导体之后人类的又一重大发明。
半导体激光科学与技术以半导体激光器件为核心，涵盖研究光的受激辐射放大的规律、产生方法、器件技术、调控手段和应用技术，所需知识综合了几何光学、物理光学、半导体电子学、热力学等学科。
半导体激光历经五十余年发展，作为一个世界前沿的研究方向，伴随着国际科技进步突飞猛进的发展，也受益于各类关联技术、材料与工艺等的突破性进步。
半导体激光的进步在国际范围内受到了高度的关注和重视，不仅在基础科学领域不断研究深化，科学技术水平不断提升，而且在应用领域上不断拓展和创新，应用技术和装备层出不穷，应用水平同样取得较大幅度的提升，在世界各国的国民经济发展中，特别是信息、工业、医疗和国防等领域得到了重要应用。
本文对半导体激光器的发展历史和现状进行了综述，同时因单晶光纤激光器在激光医疗、激光成像、光电对抗以及人眼安全测照等领域具有重大的应用价值，本文也将对其做重点描述。
二、大功率半导体激光器的发展历程。
1962 年，美国科学家宣布成功研制出了第一代半导体激光器———GaAs同质结构注入型半导体激光器。
由于该结构的激光器受激发射的阈值电流密度非常高，需要5 × 104～1 ×105 A /cm2，因此它只能在液氮制冷下才能以低频脉冲状态工作。
从此开始，半导体激光器的研制与开发利用成为人们关注的焦点。
1963 年，美国的Kroemer和前苏联科学院的Alferov 提出把一个窄带隙的半导体材料夹在两个宽带隙半导体之间，构成异质结构，以期在窄带隙半导体中产生高效率的辐射复合。
随着异质结材料的生长工艺，如气相外延( VPE) 、液相外延( LPE) 等的发展，1967年，IMB 公司的Woodall 成功地利用LPE 在GaAs上生长了AlGaAs。
自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合效率分析光电报告
课程设计任务书学生姓名：助人为乐专业班级：不计得失指导教师：一定过工作单位：信息工程学院题目:自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合效率分析初始条件：计算机、beamprop或Fullwave软件要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、课程设计工作量：2周技术要求：（1）学习beamprop软件。
（2）设计自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合效率分析（3）对自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合进行beamprop软件仿真工作。
3、查阅至少5篇参考文献。
按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。
全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。
时间安排：第1天做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。
第2-5天学习beamprop软件，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。
第6-9天对自聚焦光纤的设计进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。
第10天提交课程设计报告，进行答辩。
指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录摘要 (I)1绪论 (1)2自聚焦光纤简介 (2)2.1自聚焦光纤的原理 (2)2.2自聚焦光纤的耦合 (3)2.3自聚焦光纤应用 (4)3自聚焦光纤设计及仿真 (4)3.1软件简介 (4)3.2自聚焦光纤设计 (5)3.3自聚焦光纤仿真 (7)3.4自聚焦光纤的耦合 (9)4总结 (11)参考文献 (12)摘要本文主要说明自聚焦是指某些材料受强光照射时，材料折射率发生与光强相关的变化。
当照射光束强度在横截面的分布是高斯形时，而且强度足够产生非线性效应的情况下，此时材料折射率的横向分布也是钟形的，因而材料好像会聚透镜一样能会聚光束。
自聚焦光纤同普通透镜的区别在于，自聚焦光纤材料能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小。
自聚焦光纤的折射率分布一般采用具有抛物线型的折射率梯度分布，在自聚焦光纤棒中,光线的轨迹是正弦型的。
半导体激光器准直透镜的耦合
半导体激光器准直透镜的耦合半导体激光器准直透镜的耦合，这听起来可能有点高深，其实嘛，简单说就是把激光器发出的光通过透镜聚焦成一束笔直的光。
这就像用水枪喷水，水流很散，但你用手指一捏，水流瞬间变得又细又直。
想想我们平时生活中，激光器就像一位拼命想要展现自我的艺术家，而准直透镜就是那位耐心的经纪人，帮他把光线的美感完美展现出来。
没错，激光器发出的光可不止是照照亮，咱们可以用在光通信、激光打印，甚至激光手术，这些科技小玩意儿可都是靠这些搭档一起努力的呢。
你知道吗，半导体激光器的工作原理其实挺有趣的。
想象一下，一群小电流在半导体材料里欢快地跳舞，它们相遇后互相碰撞，释放出光子。
这时候，光子就像是个调皮的小孩子，四处乱跑。
如果没有透镜的帮忙，它们可能会漫无目的地飞走，结果浪费掉了很多好东西。
透镜就像是个专业的引导员，负责把这些光子召集到一起，形成一束集中力量的光线。
哎，想象一下，如果没有透镜，激光就变成了“漫射光”，就像散了一地的泡泡糖，漂亮却毫无用处。
这透镜的选型可是门学问。
得考虑光的波长、材料的折射率，还有透镜的曲率半径，真是麻烦。
但就像选衣服一样，有些透镜天生适合特定的光线，选对了就能把光的效果提升到极致。
很多时候，这透镜还得经过精准加工，打磨得光滑无比，不能有任何瑕疵。
不然，光线一旦碰上不光滑的地方，哎呀，那可就乱成一团了，失去所有的优雅。
耦合的过程也并不是那么简单，激光器和透镜之间得有个完美的配合。
就像男女搭档跳舞，得默契得如胶似漆。
激光器发出的光线角度、位置、强度都得恰到好处，这样透镜才能把光线抓得稳稳的，不然，光线就像是喝了咖啡的孩子，怎么也控制不住。
要是调试得当，耦合效果就会特别棒，光线不仅明亮，而且聚焦得特别好，效率简直爆表。
咱们还得提到一些实际应用。
比如在光纤通信中，透镜的作用就像是把信息一层层传递给远方的小伙伴，确保每一个光脉冲都准确无误地抵达。
还有激光打标机，透镜帮助激光将信息“刻”在材料上，这个过程简直就是现代版的“雕刻家”。
阐述微雕激光的聚焦透镜工作原理
阐述微雕激光的聚焦透镜工作原理、特点等介绍标签：聚焦镜自聚焦透镜自聚焦场镜首先来介绍下什么是自聚焦透镜自聚焦透镜又称梯度折射率透镜，是指其内部的折射率分布沿径向逐渐减小的柱状光学透镜，具有聚焦和成像功能。
由于梯度折射率透镜具有端面准直、耦合和成像特性，加上它圆柱状小巧的外形特点，可以在多种不同的微型光学系统中使用更加方便。
并在集成光学领域如微型光学系统、医用光学仪器、光学复印机、传真机、扫描仪等设备有着广泛的应用。
梯度折射率透镜是光通讯无源器件中必不可少的基础元器件。
应用于要求聚焦和准直功能的各种场合，被分别使用在光耦合器、准直器、光隔离器、光开关、激光器等方面。
1.1 自聚焦透镜的特点当光线在空气中传播遇到不同介质时，由于介质的折射率不同会改变其传播方向。
传统透镜是通过控制透镜表面的曲率，利用产生的光程差使光线汇聚成一点。
自聚焦透镜与普通透镜的区别在于，自聚焦透镜材料折射率的分布沿径向逐渐减小，能够使沿轴向传输的光产生连续折射，从而实现出射光线平滑且连续的汇聚到一点。
自聚焦透镜利用了梯度变折射率分布沿径向逐渐减小的变化特征，其折射率变化由公式1表述。
其折射率分布曲线见图3。
No ………自聚焦透镜中心折射率r …………自聚焦透镜半径根号A………自聚焦透镜的折射率分布常数1.2 光在不同节距自聚焦透镜中的传播轨迹：1.3 自聚焦透镜的主要参数节距：在自聚焦透镜中，光束沿正弦轨迹传播完成一个正弦波周期的长度即称为一个节距。
透镜长度：自聚焦透镜透镜两端中心轴线间的距离。
折射率分布常数（根号A）：自聚焦透镜的折射率沿径向分布常数。
数值孔径（N.A.）：n…………入射光所在介质的折射率am……… 入射光线的最大孔径角1.4 自聚焦透镜的应用原理聚焦：根据自聚焦透镜的传光原理，对于1/4节距的自聚焦透镜，当从一端面输入一束平行光时，经过自聚焦透镜后光线会汇聚在另一端面上。
这种端面聚焦的功能是传统曲面透镜所无法实现的。
固体激光原理与技术综合实验
固体激光原理与技术综合实验半导体泵浦固体激光器（Diode-Pumped solid-state Laser，DPL），是以激光二极管（LD）代替闪光灯泵浦固体激光介质的固体激光器，具有效率高、体积小、寿命长等一系列优点，在光通信、激光雷达、激光医学、激光加工等方面有巨大应用前景，是未来固体激光器的发展方向。
本实验的目的是了解并掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理、构成和调试技术，以及调Q、倍频等激光技术的原理和应用。
实验一半导体泵浦光源特性测量实验【实验目的】1．掌握半导体泵浦激光器的原理2．掌握半导体泵浦激光器的使用方法【实验仪器】半导体泵浦激光器、激光功率计、机械调整部件【实验原理】上世纪80年代起，生长半导体激光器（LD）技术得到了蓬勃发展，使得LD的功率和效率有了极大的提高，也极大地促进了DPSL技术的发展。
与闪光灯泵浦的固体激光器相比，DPSL的效率大大提高，体积大大减小。
在使用中，由于泵浦源LD的光束发散角较大，为使其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换（耦合）。
泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种，其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点。
侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器。
本实验采用端面泵浦方式。
端面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种方式，如下：（图1）直接耦合：将半导体激光器的发光面紧贴增益介质，使泵浦光束在尚未发散开之前便被增益介质吸收，泵浦源和增益介质之间无光学系统，这种耦合方式称为直接耦合方式。
直接耦合方式结构紧凑，但是在实际应用中较难实现，并且容易对LD造成损伤。
间接耦合：指先将半导体激光器输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。
本实验采用间接耦合方式，间接耦合常见的方法有三种，如下：a 组合透镜系统耦合：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合。
b 自聚焦透镜耦合：由自聚焦透镜取代组合透镜进行耦合，优点是结构简单，准直光斑的大小取决于自聚焦透镜的数值孔径。
高亮度半导体激光器光纤耦合系统设计
高亮度半导体激光器光纤耦合系统设计摘要：本文介绍一种利用空间合束技术和光纤耦合技术将9只波长为915nm 单管芯半导体激光器高效率耦合进光纤中，制备出具有高功率、高亮度输出光纤耦合模块。
在使用光学软件进行模拟仿真后并通过实验验证，实验结果表明光纤耦合模块可以通过芯径105μm、数值孔径（NA）为0.22 的光纤输出大于110w 的功率，并且亮度达到 8.64MW/(cm2·sr).关键词:激光耦合; 激光准直; 激光合束; 半导体激光器1引言工业应用和光纤激光泵浦已经证明了对光纤耦合半导体激光器的需求增加，特别是新的固态器件-光纤激光系统，需要越来越高的功率、更高的亮度和单波长泵浦源。
光纤耦合激光半导体模块具有几乎对称的能量分布和高度的指向稳定性，是新型固态激光器件的最佳泵浦源之一。
由于近年来半导体单芯片发射极的输出功率从1W大大提高到15W，光纤耦合半导体模块的输出功率从30W提高到800nm到 980nm波长区域的200W左右。
例如，2014年，NLIGHT（美国）提出了一个新的元件封装，可以容纳多达18个发射体与偏振光束组合。
此封装包提供直径为105μm的130W光纤和直径为200μm的225W光纤，可以提高输出功率和亮度。
在2016年，DILAS（德国）报道了一个915nm单波长、传导冷却、光纤耦合的多棒模块，模块的输出功率为120W，核心直径为120μm到400μm［1-3］．在目前的工作中，我们选择半导体单管件来设计和实现商业上可用的高功率和高亮度仅基于9个单光束的光纤耦合模块。
使用空间光束结合以及光纤耦合技术，将105μm NA为0.22光纤耦合器半导体激光模块，封装在915nm封装中，并通过软件仿真和实验验证。
该模块在没有偏振光束组合技术的情况下，只能使用空间组合技术输出110W，因此模块的体积和工作电压较小。
2光学设计和光束准直2.1光学设计为了实现高功率和更高的亮度，空间光束组合是一种有效的方法，通常用于多发射模块，在不降低光束质量的情况下，从一根光纤中实现高功率光纤输出。
自聚焦透镜原理
自聚焦透镜原理自聚焦透镜原理自聚焦透镜是透过对称性、非线性及调制折射率等物理原理实现像场聚焦的一种特殊透镜。
下面从透镜的原理、优缺点、应用等方面详细阐述自聚焦透镜。
一、透镜原理自聚焦透镜的特殊透镜结构可以实现像场聚焦，从而取代了传统透镜在成像、激光器谐振腔、波长多重分配等领域的应用。
其原理是通过光的非线性效应和调制折射率，将成像面扩散出去的光再次聚焦到出发点。
具体来说，利用一系列朝向光学轴的正十二面体聚集光束，将其转化为圆锥形进入光学介质，并以非线性效应将光线向外扩散，这样光线将在物体与透镜之间反复传播，直到聚焦于物体上的点，实现自聚焦效应。
二、优缺点优点：1. 自聚焦透镜具有非常好的像场聚焦效果，在高分辨率、遥感、医学图像处理等领域有广泛应用。
2. 自聚焦透镜也可用于激光器的谐振腔，可在微型化和集成化的光学器件中实现激光输出，提高激光器功率和效率。
3. 自聚焦透镜还可以用于波长多重分配(WDM)功能中，可将不同波长光线压缩到一个传输链路中，从而实现光纤通信。
缺点：1. 自聚焦透镜成像质量受到自聚焦焦点的影响，对非对准的光源敏感，对光场分布不均匀的图像处理效果欠佳。
2. 自聚焦透镜成像距离通常比传统透镜要近，需要一定的设计误差来确保成像质量。
3. 自聚焦透镜结构和材料制备要求较高，制造成本相对较高。
三、应用1. 自聚焦透镜可以应用于成像领域，例如摄像头、高分辨率显微镜的设计与制造，改善成像质量。
2. 自聚焦透镜还广泛应用于工业激光加工中，如激光微加工、激光切割、激光排版等领域，可提高激光加工的精度和效率。
3. 自聚焦透镜还可用于多波长波分复用(WDM)系统，实现不同波长光线的传输。
总之，自聚焦透镜的成像效果优秀，功能广泛，长期以来一直是光学器件的研究热点。
随着光学器件制造技术的不断发展，相信它的应用范围也会越来越广，为人类制造更多优秀光学器件。
半导体激光器特性及调制特性实验
（操作性实验）课程名称：激光原理与技术实验题目：半导体激光器特性及调制特性实验指导教师：班级：学号：学生姓名：一、实验目的和任务1.掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理，测量泵浦LD经快轴压缩后的阈值电流和输出特性曲线。
2.用辅助激光器法，构造固体激光器谐振腔，并使其发光。
3.选用不同透过率腔镜，测试不同LD电流下的激光输出功率，结合LD的功率-电流关系，计算两种耦合输出下的激光斜效率和光光转换效率。
二、实验仪器及器件1、半导体激光器2、耦合系统3、Nd:YAG晶体4、输出镜5、功率计6、探测器三、实验内容及原理1、LD安装及系统准直将LD电源接通。
通过上转换片观察LD出射光近场和远场的光斑。
测量LD经快轴压缩后的阈值电流和输出特性曲线。
2、半导体泵浦固体激光器实验用大功率的808nmLD泵浦Nd：YAG晶体，通过不同输出镜并调节腔镜产生1064nm的红外光。
测试不同LD电流下的激光输出功率；根据实验数据和曲线，计算两种耦合输出下的激光斜效率和光光转换效率，并作简要分析。
1、半导体激光泵浦固体激光器工作原理：上世纪80年代起，生长半导体激光器（LD）技术得到了蓬勃发展，使得LD的功率和效率有了极大的提高，也极大地促进了DPSL技术的发展。
与闪光灯泵浦的固体激光器相比，DPSL 的效率大大提高，体积大大减小。
在使用中，由于泵浦源LD的光束发散角较大，为使其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换（耦合）。
泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种，其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点。
侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器。
本实验采用端面泵浦方式。
端面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种方式。
直接耦合：将半导体激光器的发光面紧贴增益介质，使泵浦光束在尚未发散开之前便被增益介质吸收，泵浦源和增益介质之间无光学系统，这种耦合方式称为直接耦合方式。
直接耦合方式结构紧凑，但是在实际应用中较难实现，并且容易对LD造成损伤。
关于激光器研究(文献综述)
关于锁模光纤激光器的研究前言激光器，顾名思义，即是能发射激光的装置。
1954年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。
1958年A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围，1960年T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。
1961年A.贾文等人制成了氦氖激光器。
1962年R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。
以后，激光器的种类就越来越多。
按工作介质分，激光器可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器4大类。
近来还发展了自由电子激光器，大功率激光器通常都是脉冲式输出。
2004 年，Idly 提出了一种自相似脉冲光纤激光器，同时为这种光纤激光器建立了一种数值模型。
模型中采用非线性薛定谔方程（NLSE）描述脉冲在正色散光纤中的传输，引入了一个与脉冲强度相关的透过率函数将NPE 锁模机理等效成快速可饱和吸收体（SA）的作用0 模拟发现这种激光器输出的脉冲具有抛物线的形状和线性啁啾，能量可高达10nJ。
随着自相似脉冲在实验上的实现，自相似锁模光纤激光器迅速成为超短光脉冲领域的研究热点。
用Idly 模型对自相似锁模光纤激光器的研究不断取得新的进展。
在此我将对激光和激光器的原理和基于原理而做出的进一步的相关研究（如被动锁模光纤激光器）做一个大致的探讨。
主题激光器的原理非线性偏振旋转被动锁模环形腔激光器的结构如图1所示, 激光器由偏振灵敏型光纤隔离器、波分复用器、偏振控制器、输出藕合器、掺yb3+光纤组成。
其工作原理为从偏振灵敏型光纤隔离器输出的线偏振光,经过偏振控制器PCI(1/4 λ波片)后变为椭圆偏振光, 此椭圆偏振光可看成两个频率相同、但偏振方向互相垂直的线偏振光的合成, 它们在掺yb3+增益光纤中藕合传输时, 经过光纤中自相位调制和交叉相位调制的非线性作用, 产生的相移分别为其中n1x 、n1y分别为yb3+光纤沿X、Y方向的线性折射率, n2、l分别为该光纤的非线性折射率系数和长度。
GS-DFB半导体激光器的光自注入技术
） 2006(4)
4.张明江.王云才 可调谐双波长低抖动增益开关光脉冲的产生[期刊论文]-激光技术 2006(2)
5.方晓惠.王东宁.陈吉武.张敏.李世忱.靳伟 互注入锁定产生双波长可调谐光脉冲的实验研究[期
实验中用频率合成器
产生
的正弦波信号 经微波放大器放大到
几十至百毫瓦 作为
半导体激光器的微波调制信号和提供取样示波器的外触发信
号用
取样示波器
可直接读出光脉冲时间抖动均方根值
根据
求 得光脉冲实际时间抖动值
式中
为示波器触发延迟而引入的时间抖动
的
典型值为
实验中采用微波信号源和放大电路引入的抖动 为
为光电转换接头引入的时间抖动 一般
率的提高 在光通信系统中 为达到误码率
等于
要求光脉冲的时间抖动小于脉冲
时间间隔的
对于光时分复用系统 如果利用
全光解复用 对光脉冲时间抖动要求更高 需小于脉
冲时间间隔的
因此 对于
的光时分复
用系统 光脉冲的时间抖动应小于
增益开关
半导体激光器产生超
短光脉冲是基于激光张弛振荡的机理 如图 所示
在高重复频率正弦电流调制作用下 当载流子密度
可忽略不计 故光脉冲的实际抖
动值为
实验测量结果及分析
未采取光自注入方法前
激光器输出光脉冲的时间抖动为
其波形如图
所示 调节 和光纤拉伸装置 观察到输出光脉冲的时间抖动明显减小 其波形见图 示波
器测得的抖动值为
由 式计算可得实际抖动值为
实验一半导体激光器pi特性曲线测量
实验四半导体激光器光谱测量与模式分析一、实验目的：1.了解半导体激光器的工作原理和相关特性；2.掌握半导体激光器模式参数的测量方法；二、实验原理：半导体激光器的模式分为空间模和纵模(轴模)。
空间模描述围绕输出光束轴线某处的光强分布，或者是空间几何位置上的光强(或光功率)的分布，也称远场分布；纵模则表示一种频谱，它反映所发射的光束其功率在不同频率(或波长)分量上的分布。
二者都可能是单模或者出现多个模式(多模)。
边发射半导体激光器具有非圆对称的波导结构，而且在垂直于异质结平面方向(称横向)和平行于结平面方向(称侧向)有不同的波导结构和光场限制情况。
横向上都是异质结构成的折射率波导，而在侧向目前多是折射率波导，但也可采取增益波导，因此半导体激光器的空间模式又有横模与侧模之分。
图1表示这两种空间模式。
图1 半导体激光器横模与侧模由于有源层厚度很薄(约为0.15μm)，都能保证在单横模工作；而在侧向，则其宽度相对较宽，因而视其宽度可能出现多侧模。
如果在这两个方向都能以单模(或称基模)工作，则为理想的TEM00模，此时出现光强峰值在光束中心且呈“单瓣”。
这种光束的光束发散角最小、亮度最高，能与光纤有效地耦合，也能通过简单的光学系统聚焦到较小的斑点，这对激光器的应用是非常有利的。
相反，若有源区宽度较宽，则发光面上的光场(称近场)在侧向表现出多光丝，好似一些并行的发光丝，在远场的侧向则有对应的光强分布，如图2所示。
这种多侧模的出现以及它的不稳定性，易使激光器的P-I特性曲线发生“扭折”(kink)，使P-I线性变坏，这对信号的模拟调制不利；同时多侧模也影响与光纤高效率的耦合，侧模的不稳定性也影响出纤功率的稳定性；不能将这种多侧模的激光束聚焦成小的光斑。
图2 有多侧模的半导体激光器的近场和远场由于半导体激光器发光区几何尺寸的不对称，其远场呈椭圆状，其长、短轴分别对应于横向与侧向。
在许多应用中需用光学系统对这种非圆对称的远场光斑进行圆化处理。
专业实验 实验二 半导体泵浦固体激光器综合实验
半导体泵浦固体激光器综合实验实验讲义大恒新纪元科技股份有限公司版权所有不得翻印半导体泵浦固体激光器综合实验一、前言半导体泵浦固体激光器（Diode-Pumped solid-state Laser，DPL），是以激光二极管（LD）代替闪光灯泵浦固体激光介质的固体激光器，具有效率高、体积小、寿命长等一系列优点，在光通信、激光雷达、激光医学、激光加工等方面有巨大应用前景，是未来固体激光器的发展方向。
本实验的目的是熟悉半导体泵浦固体激光器的基本原理和调试技术，以及其调Q 和倍频的原理和技术。
二、实验目的a)掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法；b)掌握固体激光器被动调Q的工作原理，进行调Q脉冲的测量；c)了解固体激光器倍频的基本原理。
三、实验原理与装置d)半导体激光泵浦固体激光器工作原理：上世纪80年代起，生长半导体激光器（LD）技术得到了蓬勃发展，使得LD的功率和效率有了极大的提高，也极大地促进了DPSL技术的发展。
与闪光灯泵浦的固体激光器相比，DPSL的效率大大提高，体积大大减小。
在使用中，由于泵浦源LD的光束发散角较大，为使其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换（耦合）。
泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种，其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点。
侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器。
本实验采用端面泵浦方式。
端面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种方式。
e)直接耦合：将半导体激光器的发光面紧贴增益介质，使泵浦光束在尚未发散开之前便被增益介质吸收，泵浦源和增益介质之间无光学系统，这种耦合方式称为直接耦合方式。
直接耦合方式结构紧凑，但是在实际应用中较难实现，并且容易对LD造成损伤。
f)间接耦合：指先将LD输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。
常见的方法有：g)组合透镜系统聚光：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合。
h)自聚焦透镜耦合：由自聚焦透镜取代组合透镜进行耦合，优点是结构简单，准直光斑的大小取决于自聚焦透镜的数值孔径。
基于ZEMAX的多光束半导体激光器光纤耦合设计
基于ZEMAX的多光束半导体激光器光纤耦合设计刘畅;别光【摘要】基于ZEMAX模拟了一组多光束半导体激光器的光纤耦合模块,采用14支波长为808 nm的输出功率为60 W的线列阵激光二极管作为耦合光源,采用偏振技术实现多光路的合束,最终耦合进入芯径400μm , NA为0.22的光纤中,最终输出功率超800 W ,耦合效率达97%,实现了高效耦合,并对光纤对接过程中的耦合效率进行了分析.%The paper simulate the actual situation of fiber coupling of multiple beam semiconductor based on ZEMAX, using fourteen pieces of mini-bar that its output power is 60W are arranged in two stack arrays as laser source by po-larization multiplexing. The beam could be coupled into the fiber of 400μm core di ameter with 0.22 numerical aperture. The output power is more than 800W and the coupling efficiency is about 97%. It is analysed that the system coupling efficiency can be affected by alignment error of fiber and optical elements.【期刊名称】《长春理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(038)005【总页数】4页(P22-25)【关键词】ZEMAX;偏振合束;耦合效率;误差分析【作者】刘畅;别光【作者单位】长春中国光学科学技术馆,长春 130117;长春中国光学科学技术馆,长春 130117【正文语种】中文【中图分类】TN248随着“超晶格”概念的出现，低维物理理论以及MBE、MOCVD等外延新工艺技术的发展，量子阱结构半导体激光器由此产生，这使得大输出功率的半导体激光器开始了它的实用化之路，如在民用方面的光通信、激光存储、激光打印机、激光测量、激光光谱以及泵浦光源等；在军用方面的激光武器、激光制导、激光引信等［1-3］。
基于ZEMAX研究微球透镜的耦合效率
---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 基于ZEMAX研究微球透镜的耦合效率摘要半导体激光器与光纤耦合技术作为一种重要技术，已经发展到一个比较成熟的阶段，广泛应用于光纤通信、光纤传感等．本文以半导体激光器的光束特性和光纤的传输特性，以及半导体激光器和光纤耦合方式的概括，微球透镜特性的论述为知识基础，基于光学设计软件ZEMAX，在微球透镜的折射率、色散系数，激光器发射光场的参数等条件都确定的情况下，着重分析微球透镜与激光器之间距离的变化对耦合效率的影响。
通过ZEMAX软件模拟分析，可以找出激光源与球透镜表面的距离的最佳位置使得此处会出现所有不同位置的耦合效率的最大值。
关键词半导体激光器微球透镜光纤耦合ZEMAX最大耦合效率7086毕业设计说明书（论文）外文摘要1 / 17TitleResearching the micro-ball lens’coupling efficiency based on ZEMAX.AbstractSemiconductor lasers and fiber coupling technology has developed into a more mature stage as an important technology. And it has been widely used in optical fiber communication, optical fiber sensing and so on.This article is based on the beam characteristics of the semiconductorlaser and fiber transmission, the epitome of semiconductor lasers and fiber-coupled way, and the discussion of micro-ball lens characteristics.Depending on the optical design software, ZEMAX, we analyzed theinfluence of the distance between the micro-ball lens and the laser on the coupling efficiency, in the condition that the refractive index and dispersion---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------coefficient of the micro-ball lens, and the laser emission of light field parameters are identified. By ZEMAX software’s analysis, we can find out the best position to make here be the maximum coupling efficiency of all the different locations of the distance between the laser source and the ball lens surface.2、半导体激光器的光束特性半导体激光器的输出光场分布可以分别用远场和近场特性来描述。
半导体激光器材料研究进展-第八组
一、半导体激光器的发展历史
1970 年，双异质结构半导体激光器(DH-LD)由前苏 联科学院约飞（loffe）物理研究所的阿尔费洛夫 (Alferov)等人研究成功。室温下的阈值电流密度比 单异质结激光器的降低了一个数量级，电光转换效 率也得到了大幅度的提高。与此同时，超晶格中的 量子效应由美国 IBM 公司的江琦（L.Esaki）和朱 兆祥（R.Tsu）首先提出，并且制备出了具有超晶
的半导体。（GaAs-Zn）
N型半导体：通过掺杂使电子数目大大地多于空穴数目
的半导体。（GaAs-Te）
2、非本征半导体材料———p-n结
在GaAs内掺入VI族元素，会在导带下面形成杂质能级。
由于杂质能级与导带底的能量差很小0.003eV，电子很
容易跃迁到导带中去，同时在原来的能级上形成空穴。 这种杂质称为施主杂质，相应的能级为施主能级，掺入 施主杂质的半导体称为电子型半导体或N型半导体。
另有一类在电子学中非常重要的半导体材料,如Si和 Ge等,导带底和价带顶不在k空间同一点,称为间接禁 带半导体
2、非本征半导体材料———p-n结
本征半导体：杂质、缺陷极少的纯净、完整的半导体。 其中自由电子和空穴都很少。常用的是非本征半导 体又叫掺杂半导体。
P型半导体：通过掺杂使空穴数目大大地多于电子数目
室温下连续工作。
一、半导体激光器的发展历史
1963 年，异质结的概念由前苏联科学院的阿尔费 洛夫（Alferov）和美国的克罗默（Kroemer）提出。
1968 年到 1970 年期间，美国贝尔实验室的潘尼希 （Panish）等研制出 AlGaAs/GaAs 单异质结激光器， 阈值电流密度为 8.6×103A/cm2，实现了室温下的 脉冲工作，这标志着半导体激光器进入了异质结注 入型激光器（SHLD）的发展阶段。
光电子封装技术的研究
3
光电子封装技术的研究
1.光电子封装技术的发展阶段
电子封装技术的发展是伴随着器件的发展而发展起来的， 一代器件需要一代 封装，它的发展史应当是器件性能不断提高、系统不断小型化的历史。电子器件 的小型化、高性能化、多功能化、低成本化等要求将继续推动着电子封装技术向 着更高的性能发展，纵观近几年的电子封装产业，其发展趋势如下： 1.电子封装技术继续朝着超高密度的方向发展，出现了三维封装、多芯片封 装(MCP)和系统级封装(SIP)等超高密度的封装形式。 2.电子封装技术继续朝着超小型的方向发展， 出现了与芯片尺寸大小相同的 超小型封装形式--圆晶级封装技术(WLP)。 3.电子封装技术从二维向三维方向发展， 不仅出现 3D-MCM， 也出现了 3D-SIP 等封装形式。 4.电子封装技术继续从单芯片向多芯片发展，除了多芯片模块(MCM)外还有 多芯片封装(MCP)、系统级封装(SIP)及叠层封装等。 5. 电子封装技术从分立向系统方向发展，出现了面向系统的 SOC( 片上系 统)、SOP 和 SIP 等封装形式。 6.电子封装技术继续向高性能、多功能方向发展，高频、大功率、高性能仍 然是发展的主题。 当电子工业的许多方面开始出现下滑的时候, 一个新的领域--光电子产业 已显露出新的亮点，光学通讯市场的增长对 EMS 供应商提供了新的机遇和挑战。 光电子器件是光学元件和电子电路相结合的一类器件，它包括有源元件、无源元 件以及构成光通路的互连， 光电子封装就是将这些光电元件与原来的电子封装集 成起来，形成一个新的模块，这个模块可以看成是一个特殊的多芯片模块，其 I/O 数很低、芯片尺寸很小。光电子封装的一个主要问题是高的数字速度和低的 光信号转化率，另一个主要问题是光功能件的集成。对于光电封装来讲，对材料 性能的理解非常必要，光电封装可能在封装中包含复杂基板，另外光电封装还需 要复杂的设计系统，它必须包含系统所需的光、电、热、机的设计能力，尤其是 热设计，这是由于光电器件可能对工作参数敏感，如波长，实际上为了使光元件 能工作在一特定的波长下常对其进行温度调节，这就需要在封装内有一致冷器，
基于ZEMAX的激光与多模光纤耦合系统设计
中文 核 心 期 刊
基 于 ＺＥＭＡＸ的激 光与 多模光 纤耦 合 系统设计
石科仁 ，朱长青
（军械 工程 学 院 车辆 与 电气 工 程 系 。石 家庄 ０５０００３）
摘要 ：针对半导体激光器远场光强分布不对称的特 点，利用 ＺＥＭＡＸ软件 的近轴平 面 ｘＹ实现对激光器快 慢轴不同发散 角的模拟。依据 多模光纤的数值孔径和芯径的要求，结合几何光学进行光线追迹分析 ，并 用 ＺＥＭＡＸ进行 了参数优化 ，得到 了耦合 系统的三维视 图，系统像面光斑尺寸满足多模光纤耦合要求。最 后 ，对耦 合 系统 进行 了测 试 实验 。 关键词：半导体激光器；耦合 系统；ＺＥＭＡＸ；几何光学；多模光纤 中 图分类 号 ：ＴＮ３６，０４３５．１ 文 献标 识码 ：Ａ 文章 编 号 ：１００２．５５６１（２０１６）０５．００４３．０３ ＤＯＩ：１０．１３９２１／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎｌ００２—５５６１．２０１６．０５．０１３
１基 于 ＺＥＭＡＸ 的激 光 器 光 源设 计 我 们课 题 组 购 置 的半 导体 激 光 器 的光 源 宽度 为
（１ｘｌ００）Ｉｘｍ，快 轴 的发散 角 约 为 ３Ｏｏ，慢 轴 发散 角 接 近 ６ｏ．而且 在 近轴像 面 上存 在像差 。基 于此 ，本 文采 用 ＺＥＭＡＸ软 件 的近轴 ＸＹ面设 计 。首先 确定 一个 初始 的 发 散 角 ．让其 与慢 轴 发 散 角 ６ｏ相 同 ．根 据 数 值 孑Ｌ径 计 算 公 式 ＮＡ＝ｎｓｉｎａ。物 空 间 数 值孑Ｌ径 为 ０．０５２３．光 束 类 型选择 高斯 光束 ．波 长选 择 １．０３１ｘｍ。初 始设 定 的光 源 是 发 散半 角 ３。的 圆形光 束 ．出射 腔 面处 尺 寸半 长达 到 ５０１ｘｍ．图 １为光 源 快 轴 的发 散 角初 始 结 构 ．依 据 几 何 关 系 可 以 得 到 光 源 发 光 处 Ａ 点 到 出射 腔 面 Ｄ距 离
透镜光纤耦合
透镜光纤耦合1. 简介透镜光纤耦合是一种将透镜与光纤相结合的技术，用于实现光的传输和聚焦。
通过将透镜与光纤紧密耦合，可以实现高效的光能传输和精确的光聚焦，应用于许多光学领域，如通信、成像、光谱分析等。
2. 透镜光纤耦合的原理透镜光纤耦合的原理基于折射和聚焦的光学效应。
当平行光束入射到透镜上时，透镜会将光束聚焦到焦点上。
而光纤则是一种能够传输光信号的导光介质，它具有较小的尺寸和柔性弯曲性。
通过将透镜与光纤相结合，可以将透镜的聚焦效果与光纤的传输能力结合起来，实现高效的光能传输和聚焦。
透镜光纤耦合的关键在于将透镜与光纤的光轴对准，并保持一定的距离。
当光从透镜的一侧入射时，透镜会将光束聚焦到焦点上，然后光束经过焦点后会发生折射，最终进入光纤中传输。
通过调整透镜与光纤的距离，可以控制光束的聚焦位置和光纤的接收效率。
3. 透镜光纤耦合的优势透镜光纤耦合技术具有以下优势：3.1 高效的光能传输透镜光纤耦合可以实现光能的高效传输。
透镜的聚焦效果可以将光束聚集到较小的空间范围内，从而提高光的能量密度。
而光纤具有较低的损耗和较高的传输效率，可以将聚焦后的光束有效地传输到需要的位置。
3.2 精确的光聚焦透镜光纤耦合可以实现精确的光聚焦。
透镜的聚焦效果可以将光束聚焦到较小的尺寸范围内，从而实现光的精确控制和定位。
这对于需要精确光聚焦的应用非常重要，例如激光切割、激光打印等。
3.3 灵活的应用范围透镜光纤耦合技术可以应用于多种光学领域。
由于透镜和光纤都是较小尺寸的器件，因此可以灵活地集成到各种光学设备中。
透镜光纤耦合可以用于光通信系统中的光纤连接和光信号传输，也可以用于成像系统中的光聚焦和光谱分析等。
4. 透镜光纤耦合的应用透镜光纤耦合技术在许多领域中得到广泛应用，包括但不限于以下几个方面：4.1 光通信透镜光纤耦合可以用于光通信系统中的光纤连接和光信号传输。
通过将透镜与光纤耦合，可以实现高效的光信号传输和接收。
透镜的聚焦效果可以将光束聚集到较小的尺寸范围内，从而提高光的能量密度和传输效率。
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自聚焦透镜与光纤的导光原理密切相关。先从渐变折射率光纤(亦称梯度折射率光纤)的导光问题谈起。通常所说的光纤一般指阶跃折射率光纤。与阶跃折射率光纤相比，渐变折射率光纤的折射率在径向是逐渐变化的。中间大，边缘小(见图1)。当纤芯的直径是入射光波长的很多倍时,可以用几何光学的方法来研究其传光原理，这就是所谓光线理论[7]。
世界上第一只半导体激光器是1962 年问世的，经过几十年来的研究，半导体激光器得到了惊人的发展，它的波长从红外、红光到蓝绿光，覆盖范围逐渐扩大，各项性能参数也有了很大的提高，其制作技术经历了由散法到液相外延法(LPE) ，气相外延法(VPE) ，分子束外延法(MBE) ，MOCVD 方法(金属有机化合物汽相淀积) ，化学束外延(CBE) 以及它们的各种结合型等多种工艺。其激射阈值电流由几百毫安降到几十毫安 ，直到亚毫安，其寿命由几百到几万小时，乃至百万小时。从最初的低温(77K) 下运转发展到室温下连续工作， 输出功率由几毫瓦提高到千瓦级(阵列器件) 它具有效率高、体积小、重量轻、结构简单、能将电能直接转换为激光能、功率转换效率高(已达10%以上，最大可达50%)，便于直接调制、省电等优点，因此应用领域日益扩大。目前,固定波长半导体激光器的使用数量居所有激光器之首，某些重要的应用领域过去常用的其他激光器，已逐渐为半导体激光器所取代。半导体激光器最大的缺点是：激光性能受温度影响大，光束的发散角较大(一般在几度到二十度之间)，所以在方向性、单色性和相干性等方面较差[3][4]。但随着科学技术的迅速发展，半导体激光器的研究正向纵深方向推进，半导体激光器的性能在不断地提高。目前半导体激光器的功率可以达到很高的水平，而且光束质量也有了很大的提高。以半导体激光器为核心的半导体光电子技术在21世纪的信息社会中将取得更大的进展，发挥更大的作用。
图1光纤的折射率分布
光纤的光线理论研究表明。对于二阶跃折射率光纤，子午光线(位于通过光纤中心轴所在平面上的光线)以大于临界角人射时，光线将在纤芯中以全反射形式传播，光线是呈“之”字形前进的(见图2(a))。对于渐变折射率光纤，光不能沿直线前进，而是沿着曲线传播的(见图2(b))。渐变折射率随半径的变化可写为[8]：
第二章
2.1半导体激光器简介
半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的Pn 结或Pin 结为工作物质的一种小型化激光器。半导体激光器工作物质有几十种，目前已制成激光器的半导体材料有砷化镓( GaAs) 、砷化铟( InAs) 、锑化铟( InSb) 、硫化镉(cds) 、碲化镉(CdTe) 、硒化铅( PbSe) 、碲化铅( PbTe) 、铝镓砷(AlxGa1 - xAs) 、铟磷砷( InPxAS- x) 等。半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式、光泵式和高能电子束激励式。绝大多数半导体激光器的激励方式是电注入，即给Pn 结加正向电压，以使在结平面区域产生受激发射，也就是说它是个正向偏置的二极管。因此半导体激光器又称为半导体激光二极管。对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行跃迁,而不是在分立的能级之间跃迁，所以跃迁能量不是个确定值，这使得半导体激光器的输出波长分布在一个很宽的范围上。它们所发出的波长在0.3 ～34μm之间。其波长范围决定于所用材料的能带间隙,最常见的是AlGaAs 双异质结激光器，其输出波长为750～890nm。
贵州民族学院
本科毕业论文
论文题目：半导体激光器与自聚焦透镜耦合特性研究
学 院：理学院
专 业：应用物理学
班 级：2006级应用班
姓 名：蒋明杭
学 号：200612010003
指导教师：李林福
完成时间：2010年5月
半导体激光器与自聚焦透镜耦合特性研究
蒋明杭
摘要基于子午光线在自聚焦透镜中传输的轨迹方程,分析了不同自聚焦透镜长度对出射光线的倾角、位置的影响,以及半导体激光器与自聚焦透镜间取不同距离时出射光线与入射光线倾角的关系特性。最后结合实验图表,对自聚焦透镜与半导体激光器耦合时的特性曲线进行了分析。通过理论分析和对实验图表分析,可知自聚焦透镜可以在半导体激光器的耦合中得到较好的应用，自聚焦透镜对半导体激光器光束的大发散角、光斑的大小和长度都有明显的压缩作用，在不同情况下,可以通过选取一定的自聚焦透镜长度来得到更高的耦合效率。
关键词自聚焦透镜半导体激光器耦合特性耦合效率
A STUDY ON THE COUPLING CHARACTEIUSTIC OF SEMICONDUCTOR LASER AND SELFOC LENS
Jiang Ming-Hang
AbstractThis paper is based on the radial rays in the self-focusing lens in the transmission path equations of the different self-focusing lens length of the exit light angle, position of the semiconductor laser with self-focusing lens between the for different distance emitted light and incident light the relationship between the characteristic angle. Finally, test charts, on the self-focusing lens and the semiconductor laser coupling characteristic curves were analyzed. Through theoretical analysis and experimental analysis of the chart, we can see from the focusing lens of the light transmission has a special feature that the coupling ofsemiconductor lasers to get better application; self-focusing lens, a large semiconductor laser beam divergence angle, spot size and the length of compression are obvious; in different situations, you can choose a certain length from the focusing lens to obtain a higher coupling efficiency.
第三章
3.1自聚焦透镜简介
对自然界中普遍存在的变折射率介质(又称为非均匀介质)中光的传播问题，很早就有人进行了研究。1854年，麦克斯韦首先设计了应用于光学系统中的一种折射率对某一点呈对称分布的“鱼眼透镜”。1905年，伍德设计了一种折射率和径向距离有关的伍德透镜．但由于制作工艺问题没有解决而没有得到实质性进展。本世纪五十年代以来，随着光学纤维技术的迅猛发展。对变折射率透镜的研究才有了实质性突破[6]。1968年，日本北野一郎等人首先采用离于变换工艺制成变折射率透镜，称为自聚焦透镜(SML)又称渐变折射率透镜(GRNLens) ,它是梯度光纤。光在自聚焦透镜内沿子午线传播,各子午面内的折射率是相同的,且对光纤轴对称。
（3.2）
其中 ,称为聚焦常数。
图2子午光线在光纤中的传输
在自聚焦光纤中，光的传播曲线是正弦曲线，即光线的传播是呈正弦波式“蛇”形前进的，正弦波的周期 。形成正弦波的原因，是因为折射率是连续变化的，光纤中心轴附近折射率较高，光在中心的传播速度要低于边缘部分。也就是说，这种光纤有聚光性能：射向边缘部分的光线总是向轴线方向偏折。光线就是利用这种折射率的连续变化，在光纤内部反复聚焦和发散而向前传播的。
2.2半导体激光器的应用
半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广，目前已超过300种，半导体激光器的最主要应用领域是Gb局域网，850mn波长的半导体激光器适用于1Gb局域网，1300mn～1550nm波长的半导体激光器适用于1OGb局域网系统[5]。半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术。半导体激光器在激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面获得了广泛的应用，形成了广阔的市场。1978年，半导体激光器开始应用于光纤通信系统，半导体激光器可以作为光纤通信的光源和指示器以及通过大规模集成电路平面工艺组成光电子系统。由于半导体激光器有着超小型、高效率和高速工作的优异特点，所以这类器件的发展，一开始就和光通信技术紧密结合在一起，它在光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存贮、光计算机外部设备的光耦合等方面有重要用途。半导体激光器的问世极大地推动了信息光电子技术的发展，到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源。半导体激光器再加上低损耗光纤，对光纤通信产生了重大影响，并加速了它的发展。因此可以说，没有半导体激光器的出现，就没有当今的光通信。GaAs/GaAlA双异质结激光器是光纤通信和大气通信的重要光源，如今，凡是长距离、大容量的光信息传输系统无不都采用分布反馈式半导体激光器(DFB一LD)。半导体激光器也广泛地应用于光盘技术中，光盘技术是集计算技术、激光技术和数字通信技术于一体的综合性技术。是大容、高密度、快速有效和低成本的信息存储手段，它需要半导体激光器产生的光束将信息写入和读出。
（3.1）
式中， 是径向坐标， 为纤芯半径。 是光轴上的折射率 与最外层折射率之差。 为正指数。由（3.1）式可以看出。当 时。在 ＜ 处， ；在 处， ，恰为突变折射率情况。当 时，折射率的变化由中心向外层呈线性下降；当 时，折射率由中心向外呈抛物线型下降(二次曲线)这就是所谓的自聚焦光纤，这时(3.1)式变为：