半导体激光器光束准直系统的设计

第 I 页 共 II 页
清华大学 2012 届毕业设计说明书 3 3.1 3.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.4 4 4.1 4.2 4.2.1 半导体激光器的光束准直理论………………………………………………………15 半导体激光器的光束特性………………………………………………………… 15 高斯光束的基本理论……………………………………………………………… 15 激光束准直系统介绍……………………………………………………………… 16 圆柱透镜系统…………………………………………………………………… 16 非球面柱透镜准直系统……………………………………………………… 17 光纤耦合系统……………………………………………………………………18 棱镜组折反射光束整形………………………………………………………… 20 异型棱镜光束整形………………………………………………………………21 本章小结……………………………………………………………………………22 半导体激光器准直系统设计…………………………………………………………23 准直系统设计方案………………………………………………………………… 23 准直设计优化仿真………………………………………………………………… 27 光学设计软件…………………………………………………………………… 27
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.
关键字：半导体激光器，光束准直Hale Waihona Puke Baidu柱透镜，高斯光束
清华大学 2012 届毕业设计说明书
Based on the 980nm semiconductor laser beam collimation system design
Abstract：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
980nm 大功率半导体激光器是在上世纪 90 年代初随着量子阱材料生长技术的成熟 发展起来的新型器件，采用 InGaAs 应变层量子阱结构作为有源区 [1] ，是当代超晶格微 结构理论和超晶格生长技术发展的一次成功应用。 1.2.1 半导体激光器的发展史
半导体激光器经历了一个相当长的发展史后，正趋于成熟。 1953 年，美国 John Von Neumann 在一片未发表的论文手稿中第一个论述了在半导 体中产生受激发射的可能性，认为可以通过想 PN 结注入少数载流子来实现受激发射， 计算了在两个布里渊区之间的辐射跃迁速率。 1956 年，Pierre Aigrain 鼓励美国无线电公司的 Pankove 着手制造半导体激光器。
第 1 页 共 34 页
清华大学 2012 届毕业设计说明书 1958 年，Pierre Aigrain 在布鲁塞尔的一次国际会议上的发言中，第一个公开发表了 在半导体中得到相干光的观点。 1961 年，前苏联 Basov 等人最先公开发表：通过 p-n 结注入的载流子复合，在半导 体中能够产生光子的受激辐射。 1962 年， 美国研究小组宣布获得了第一个实用的在低温下工作的半导体激光器。 它 是第一只注入式激光器， 由矩形 GaAs 薄片做成， 在薄片中扩散了一个平面 p-n 结， GaAs 芯片固定在金属基片上，顶部接有导线。受激辐射的阈值电流密度特别高，因此只能在 液态氮和脉冲状态工作，缺乏实用价值。 1963 年，美国 Kroemer 和苏联的 Alferov 提出把一个窄带隙的半导体材料夹在两个 宽带隙的半导体之间，希望在窄带隙半导体中产生高效率的辐射复合。 1967 年，IBM 公司的 Woodall 成功的用液态外延生长技术，制成了 GaAs-GaAlAs 单异质结激光器，一反过去用扩散法形成同质 PN 结的惯例，并且使得阈值电流下降了 一个数量级。 1968-1970 年，美国贝尔实验室研究成功 GaAs-GaAlAs 单异质结激光器，室温阈值 电流进一步降低，标志着半导体激光器进入了第二个发展阶段——单异质注入型激光 器。 1970 年， 美国的 Hayashi 和 Panish 报道了双异质结半导体激光器的阈值电流密度又 降低了一个数量级， 这标志着半导体激光器进入了第三个发展阶段——双异质结注入型 半导体激光器。 在 1962-1970 期间，半导体激光器的研究工作主要集中在一下几个方面： （1） 围绕着实现 GaAs 注入半导体激光器在室温下连续工作， 对其结构进行了深入 的研究，异质结构是一大突破。为改善半导体激光器的工作特性，在对注入有源区的载 流子和其内辐射复合所产生的光子进行了限制， 研究了多元固溶体形成良好结晶的外延 生长办法。 （2）寻找新的半导体激光材料，扩展激光的波段范围和改善激光器的辐射特性。 在几年内， 从远紫外到远红外的一个广阔波段范围内探索了不少能产生受激光发射的材 料。 （3）为了使半导体激光器得到实际应用，对激光器的动态特性进行了研究。从 20 世纪 70 年代末开始，半导体激光器明显向着两个方向发展，一类是以传递信息为目的
1.2.2 980nm 半导体激光器的研究状况………………………………………………… 3 1.2.3 1.3 1.3.1 1.3.2 1.4 1.5 2 2.1 2.1.1 2.1.2 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.3 2.4 980nm 半导体激光器的主要应用…………………………………………………4 准直技术的意义与研究…………………………………………………………… 5 半导体激光器光束准直的意义………………………………………………… 5 准直技术的研究现状和发展方向……………………………………………… 6 本论文主要工作………………………………………………………………………7 本章小结………………………………………………………………………………8 半导体激光器………………………………………………………………………… 9 半导体激光器的基本原理……………………………………………………………9 受激辐射…………………………………………………………………………… 9 实现条件……………………………………………………………………………9 半导体激光器的器件结构…………………………………………………………10 异质结半导体激光器……………………………………………………………10 量子阱半导体激光器……………………………………………………………11 表面发射激光器…………………………………………………………… 13 半导体激光器的优缺点…………………………………………………………… 13 本章小结……………………………………………………………………………14
参考文献…………………………………………………………………………………32 致谢 …………………………………………………………………………………… 34
第 II 页 共 II 页
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。近几 年来，随着信息传输宽带化、信息处理高速化、信息存储大容量以及军用装备小型、高 精度化的需求发展，半导体激光器的发展更为迅速，性能不断提高，半导体激光器已成 为世界上发展最快的激光技术之一。它的应用几乎覆盖了整个光电子学领域，成为当今 光电子学的核心技术之一。 1．1 选题目的及意义
4.2.2 ZEMAX 软件仿真…………………………………………………………………27 4.3 5 5.1 5.2 本章小结………………………………………………………………………… 30 全文总结………………………………………………………………………………31 主要工作及结论…………………………………………………………………… 31 工作展望…………………………………………………………………………… 31
Key words：Semiconductor Laser,Beam collimation, Cylindrical lens, Gaussian beam
目
1 1.1 1.2 1.2.1
录
绪论…………………………………………………………………………………… 1 选题目的及意义…………………………………………………………………… 1 980nm 半导体激光器的发展及其应用…………………………………………… 1 半导体激光器发展史…………………………………………………………… 1
近年来,半导体激光器的研究和应用出现了快速发展的趋势,半导体激光器在军事、 工业、医学等多方面有着重要的应用前景。由于半导体激光器具有易于调制、重量轻、 体积小、发射功率大等优点，常将其作为通信系统中基本的光源。但是，由于半导体激 光器的非对称光波导结构，使得发出的光束在相互垂直的两个平面内具有较大的发散 角，远场平行和垂直于结平面方向的发散角分别约 10 o ~ 30 o 和 30 o ~ 60 o ，从而形成像 散，并在远场形成椭圆光斑,输出光能量不集中,光强分布不均匀,这严重妨碍了大功率 半导体激光器的应用。 因此设计一种实用的大功率半导体激光器光束准直系统具有重要 的现实意义。 本文基于这个目的,设计了一种基于 980nm 半导体激光器的光束准直系统，利用柱 透镜组合对发散角进行压缩,得到一个易于应用的圆形光斑。 1．2 980nm 半导体激光器的发展及其应用
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 专 院： 业：
学号：
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。