半导体激光束准直系统的研究
半导体激光器光束准直技术研究
半导体激光器光束准直技术研究摘要：相较于其他激光器，半导体具有结构简单、功耗低、操作方便等优点，且目前已广泛应用于激光领域，例如：激光通信、激光测距等。
基于半导体激光器的基本结构，在垂直于结平面方向上，它发出的光束的发射角大小大约为30o；而在平行于结平面方向上，它的发射角大约为10o。
正是由于两者的发射角相差太大，所以半导体激光器在应用过程中，利用特殊的光学系统对其输出光束进行准直是非常有必要的。
本文开篇部分主要介绍了半导体激光器的发展现状和准直意义，中间部分主要讲述了半导体激光器的基本原理与结构分类，最后大概介绍了一些半导体激光器光束准直方法。
关键词：半导体激光束；准直；整形一、半导体激光器的发展现状和准直意义半导体激光器从二十世纪六十年代开始发展，较其他激光器落后几年，如今半导体激光器的技术已相当成熟。
二十世纪七十年代开始，人们重点研究了半导体激光器的动态特性，使其主要朝着两个方面发展，其一是功率型激光器，主要以提高光功率为主；其二是信息型激光器，主要以传递信息为主。
近年来，人们也研发出了高功率半导体激光器，其指的是脉冲输出功率在5W以上，且连续输出功率在100mW以上。
二十世纪九十年代，在泵浦固体激光器的作用下，高功率半导体激光器的研发取得了实质性进展，主要指半导体激光器的连续输出功率可以达到5W~30W左右，得到了很大的提高。
现在，高功率半导体激光器在国内外的发展已相当白热化，其中国外商品化的大功率半导体激光二极管阵列已达到千瓦级别，而国内的样品器件要稍微落后一点，但也已达到了600W。
现如今，半导体激光器已广泛应用于各行各业，但是在应用过程中，出现了一些问题，主要是由于半导体激光器的波导结构造成的。
这些问题主要表现在三个方面：其一，半导体激光束在快轴方向和慢轴方向的发射角之间相差太大，其中在慢轴方向的发射角大概在10o左右，而在快轴方向上的发射角甚至可以达到60o左右；其二，半导体激光器具有固有像散，即半导体激光器在慢轴和快轴两个方向上的束腰不在同一地方；其三，半导体激光器的远场的光斑为椭圆形的。
椭圆柱透镜组准直半导体激光束的优化设计
ｔｒ ｓ Ｅｌ ｐｉ ｅ ｔ ｎ Ｃ ｌ ｄ ｒｌｎ ； ｅ ｃ ｎ ｕ ｔｒｌｓ ｒ ｅ ｍ； ｔ ｚ ｔｏ ｅ ｉｎ ｙｗｏ ｄ ： ｌ ｔ ｓ ｃｉ ； ｙ ｉ ｅ ｓ Ｓ ｍｉｏ ｄ ｃｏ ｅ ａ Ｏｐ ｉ ａｉｎｄ ｓｇ ｉ ｃ ｏ ｎ ｅ ａ ｂ ｍｉ
维普资讯
第 ３ 卷第 ３ ３ 期
２０ ０ ６年 ３月
光电工程
Ｏｐｏ Ｅｌｃｒｎ ｃＥ ｇ ｎ ｅ ｉｇ ｔ— ｅ ｔｏ ｉ ｎ ｉｅ ｒ ｎ
Ｖ １ ３ Ｎｏ３ ｏ． ， ． ３ Ｍ ａｃ ， ０ ６ ｒｈ ２ ０
文章编号：１０ —０ （０ ６ ３０ ８— ３ ３５ ２０ ） — ０８ ０ ０ １ Ｘ ０
４ ｒｄｏ ｏｂ ｈ ｔｏ ． ｅｓ ｍｅｔ ，ｈ ｉｃｅｐ ｔｅｎｉ ｂａｎ ｄａ ｈ ａ ｅｄ ｉ ｅｓ ａ ｅ ５ ａ ｒｓ ｙ ｔｅｍｅｈ ｄ Ａｔ ｈ ａ ｍｅ ｔｅｃｒ ｌ ａ ｒ ｓｏ ｔｉｅ ｔ ｅｆｒｆ ｌ ｆ ｈ ｐ ｃ ｇ ｔ ｉ ｔ ｉ ｔ
２ Ｔｅｎｔｕｅ Ｏ ｔｓ ｎ ｌｃ ｏ ＆ ，ｈ ｈｎｓ Ａ ａｅ ｙｏＳｉｎｅＣ ｅｇ ｕ １２ ９Ｃ ｉａ） ．ｈ ｓｔｔｏ ｐｉ ｄＥｅｔ ｎ ｓｔｅＣ ｉｅｅ ｃｄｍ ｃｅｃ， ｈｎｄ ００ ， ｈｎ Ｉ ｉ ｆ ｃａ ｒ ｆ ６
Ａｂ ｔａ ｔ Ｂｙ ｕ ｉｇｔｅｌ ｈ ａ ｅ ｔ ｒ ｔ ｏ ，ｈ ｌ ｐｉ－ｅ ｔ ｎｃ ｌ ｄ ｒｌｎ ｅ ａ ｅ ｅ ｎ ｄ ｓｇ ｅ ｓｒ ｃ ： ｓｎ ｇ ｔ ｙｖ ｃｏ ｈ ｄ ｔｅｅｌ ｔ ｓ ｃｉ ｙ ｉ ｅ ｓ ｓｈ ｖ ｅ ｅｉｎ ｄ ｈ ｉ ｒ ｍｅ ｉ ｃ ｏ ｎ ｅ ｂ
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
半导体激光器实验报告
半导体激光器实验报告半导体激光器实验报告引言：半导体激光器是一种重要的光电子器件，具有广泛的应用领域，如通信、医疗、工业等。
本实验旨在通过搭建实验装置，研究半导体激光器的工作原理和性能特点，并探索其在光通信领域的应用。
实验一：激光器的工作原理激光器的工作原理是基于光放大和光反馈的原理。
在实验中，我们使用一台半导体激光器，通过电流注入激发半导体材料，产生光子。
这些光子在激光腔中来回反射，不断受到增益介质的放大，最终形成激光束。
实验装置中的关键组件包括半导体激光器、激光腔、准直器和光探测器。
半导体激光器通过电流注入，激发载流子跃迁，产生光子。
光子在激光腔中来回反射，经过准直器调整光束的方向，最后被光探测器接收。
实验二：激光器的性能特点在实验中，我们测试了激光器的输出功率、波长和光谱宽度等性能指标。
通过改变注入电流和温度等参数，我们研究了激光器的输出特性。
首先，我们测试了激光器的输出功率。
通过改变注入电流，我们观察到激光器输出功率随电流增加而增加的趋势。
然而，当电流达到一定值后，激光器的输出功率不再增加，甚至出现下降。
这是由于激光器的光子数饱和效应和损耗机制导致的。
其次，我们测量了激光器的波长。
通过调节激光腔的长度，我们观察到激光器的波长随腔长的变化而变化。
这是由于激光腔的谐振条件决定了激光器的输出波长。
最后，我们研究了激光器的光谱宽度。
通过光谱仪测量激光器的光谱分布，我们发现激光器的光谱宽度与注入电流和温度有关。
随着注入电流的增加和温度的降低，激光器的光谱宽度变窄，光纤通信系统中要求的窄光谱宽度可以通过适当的调节实现。
实验三：半导体激光器在光通信中的应用半导体激光器在光通信领域有着重要的应用。
我们通过实验研究了激光器在光纤通信中的应用。
首先，我们将激光器的输出光束通过光纤传输。
通过调节激光器的输出功率和波长，我们实现了光纤通信中的光信号传输。
通过光探测器接收光信号，并通过示波器观察到了传输过程中的光信号波形。
绿光半导体激光器单管合束及光纤耦合技术研究
绿光半导体激光器单管合束及光纤耦合技术研究摘要：近年来，随着我国经济的高速发展和科技的进步，光电器件与材料相关领域的研发不断取得新进展，性能得到明显强化，在各大领域得到广泛应用。
为进一步提高半导体激光功率，可以采用激光器单管合束及光纤耦合技术。
基于此，分析研究绿光半导体激光器单管合束及光纤耦合技术，对提高仪器总功率以及将其应用于更多领域有重要的现实意义。
关键词：绿光半导体激光器；单管合束；光纤耦合前言：利用合束技术可以使多个半导体激光器在光纤中进行耦合，由此形成半导体激光器的光学器件，保证激光的输出功率，提高激光束的质量。
目前，国内外已广泛使用多种红外波段的半导体激光器，广泛用于彩色显示、激光印刷、高密度光盘存储等领域，但目前对于可见光波段激光耦合模块尤其是绿光波段的研究还很少，因此，对绿光高功率半导体激光器光纤耦合模块进行深入研究，是当前光电器件与材料相关领域研发重点之一。
1半导体激光器光纤耦合模块研究半导体激光器技术已经相对成熟，由于其具有光束不均匀性、单元功率低等特点，在一定程度上限制其应用领域。
为保证半导体激光器的功率输出，需要对激光器进行多层叠加，这会一定程度上限制光束质量。
随着半导体耦合技术的不断发展和进步，通过使用半导体激光器进行合束，可以有效提升光束的质量，实现激光远距离柔性传输。
最早的光纤是20世纪50年代研制出来的，后来被人们逐渐推广使用。
在20世纪70年代，就有国外公司利用化学气相沉积法得到了损耗较低的光纤，随着半导体激光器的迅速发展和光纤耦合技术的发展，人们对不同类型的半导体激光器进行了大量的研究，并取得了大量的成果。
2半导体激光器非相干合束技术目前，半导体激光器的合束技术方法有两种：相干合束和非相干合束。
半导体激光器利用光束准直技术和聚焦耦合技术，使多个光束单元的耦合成为可能。
在相干合束技术的应用中，采用了相位控制方法，使激光阵列各发光元件产生同一波长的光束，从而达到相干合束。
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”。
基于ZEMAX的半导体激光准直仿真设计
引言
半导体激光器( laser diode，LD) 以其体积小效率高易于集成可高速直接调制等优点，被广泛用于激光雷达激光测量激光照明激光制导激光打印以及高密度信息记录与读取等领域。
但是半导体激光器发射的激光光束具有在垂直和平行于结平面两个方向发散角不同光斑形状不规则( 如一般是椭圆型或长条型) 存在固有像散等缺点，这使得半导体激光3 维扫描成像雷达的测程测距精度大大受影响，为了适用于远距离空间激光测距，必须对半导体激光发散光束进行准直。
作者主要采用椭圆面柱透镜，对905nm 的半导体激光做准直整形处理，使得激光的发散角尽可能的小，接收物体表面的激光光斑尽可能的小，而且规则，从而达到提高测程和测距精度的目的。
1.理论分析及计算
采用OSARM 公司的型号为SPL LL90 _3 的半导体激光器查看使用说明书得到: SPL LL90_3 型号的半导体激光器在弧矢( 平行于结平面) 方向上的发散
角= 15°，在子午( 垂直于结平面) 方向上的发散角= 30°，整个激光器的峰值功率为70W半导体激光器有源区只有约0. 1 m ～0. 2 m 的厚度，可以近似看作沿慢轴方向的线光源根据半导体激光束两个方向的发散角不同的特点，采用两个互相垂直的柱透镜组分别对两个方向的光束进行准直，选用的两个柱面镜面型为椭圆面如图
1 所示，半导体激光器发出的子午光线先经过母线平行于激光束慢轴方向的柱透镜后变成准平行光束( 平行光束不可能实现) 由于第
2 个柱透镜M2对于子午光线的发散角无影响，可看作平板玻璃图2 显示弧矢光线经过第1 个透镜M1 时，光束会发生偏移，但不会影响光束的发散角，在经过第 2 个柱透镜时，弧矢光也同样得到准直，输出准平行光。
如有侵权请联系告知删除，感谢你们的配合！。
激光准直的真实原理是什么
激光准直的真实原理是什么激光准直是指通过特定的光学元件以及光学设计手段，使激光光束具有平行光特性的过程。
在激光技术的应用中，激光准直是一个非常重要的工艺步骤，它能够确保激光束在传输过程中的方向性、光强、光斑尺寸等参数的稳定性和一致性，从而提高激光系统的成像质量、测量精度和功率效率等方面的性能。
激光准直的真实原理主要包括两个方面：光学元件的选择和光学系统的调整。
第一，光学元件的选择：在激光准直的过程中，光学元件起到了至关重要的作用。
其中，最常用的光学元件包括准直透镜、锥形透镜以及棱镜等。
准直透镜是最常见的光学元件之一，在激光准直中主要用于改变光束的方向、焦距和尺寸等参数。
而锥形透镜则可以将被准直的光束聚焦成较小且尺寸均匀的激光光点，从而实现光束的微聚焦。
另外，棱镜可以通过反射和折射等光学原理，对激光光束进行线性调整，实现光束的偏转和对准等功能。
根据激光准直的要求和实际应用场景的不同，选择合适的光学元件是至关重要的。
一般来说，需要综合考虑光学元件的透射率、折射率、材料的热膨胀系数以及成本等因素，以确保光学元件能够在激光准直中具有较好的性能和稳定性。
第二，光学系统的调整：在选择合适的光学元件后，还需要对光学系统进行精确的调整，以实现激光准直的目标。
光学系统的调整主要包括光路对准、调焦和调整光斑尺寸等方面的操作。
首先，进行光路对准是激光准直的重要步骤。
通过调整光学元件的位置和角度，使得光线在系统中的传输路径保持平行，以确保激光光束具有稳定的方向性和光强分布。
其次，进行调焦操作是实现激光准直的关键环节。
通过改变准直透镜或锥形透镜的位置和焦距，使激光光束能够在一定距离内保持最佳的聚焦效果，以实现激光准直的最终目标。
此外，调整光斑尺寸也是激光准直中需要考虑的因素之一。
根据实际需要，通过调整光学元件的直径、形状和倾斜角度等参数，改变激光光斑的大小和形状，以满足特定的应用需求。
综上所述，激光准直的真实原理主要包括光学元件的选择和光学系统的调整。
实验报告半导体激光实验
一、实验目的1. 了解半导体激光器的基本原理和光学特性；2. 掌握半导体激光器耦合、准直等光路的调节；3. 根据半导体激光器的光学特性考察其在光电子技术方面的应用；4. 熟悉WGD6光学多道分析器的使用。
二、实验原理1. 半导体激光器的基本结构半导体激光器，全称为半导体结型二极管激光器，是一种利用半导体材料作为工作物质的激光器。
其基本结构包括工作物质、谐振腔和激励能源。
工作物质通常采用V族化合物半导体，如GaAs、MoSb等；谐振腔由两个平行端面构成，起到反射镜的作用；激励能源有电注入、光激励、高能电子束激励和碰撞电离激励等。
2. 半导体激光器的阈值条件半导体激光器的阈值电流是各种材料和结构参数的函数。
在满足阈值条件时，半导体激光器才能产生激光。
阈值电流表达式为：\[ I_{th} = \frac{L}{\eta} \frac{P}{h\nu} \]其中，\( I_{th} \) 为阈值电流，\( L \) 为有源层长度，\( \eta \) 为内量子效率，\( P \) 为注入功率，\( h \) 为普朗克常数，\( \nu \) 为发射光的真空波长。
3. 半导体激光器的光学特性半导体激光器的光学特性主要包括单色性好、高亮度、体积小、重量轻、结构简单、效率高、寿命长等。
三、实验仪器与设备1. 半导体激光器及可调电源；2. WGD6型光学多道分析器；3. 可旋转偏振片；4. 旋转台；5. 多功能光学升降台；6. 光功率指示仪。
四、实验步骤1. 搭建实验系统，连接各仪器设备；2. 调节可旋转偏振片，观察偏振光的变化；3. 调节旋转台，观察光斑在屏幕上的变化；4. 调节多功能光学升降台，观察光功率指示仪的读数；5. 使用WGD6型光学多道分析器，对半导体激光器的光谱进行测量；6. 记录实验数据，分析实验结果。
五、实验结果与分析1. 通过调节可旋转偏振片，观察到偏振光的变化，验证了半导体激光器的偏振特性；2. 通过调节旋转台，观察到光斑在屏幕上的变化，验证了半导体激光器的准直特性；3. 通过调节多功能光学升降台，观察到光功率指示仪的读数变化，验证了半导体激光器的功率特性；4. 使用WGD6型光学多道分析器，对半导体激光器的光谱进行测量，得到激光波长、线宽等参数，进一步验证了半导体激光器的光学特性。
激光准直仪原理
激光准直仪原理激光准直仪原理是指利用激光光束来检测测量物体的水平和垂直方向的相对位置，是一种常用于建筑、制造和测绘等领域的精确测量工具。
激光准直仪由于其高精度和高效率，已成为现代科技和工程实践的必备工具。
激光准直仪原理包括激光发射原理、激光束偏转原理和光电测量原理。
下面我们将详细介绍这三个方面的原理。
一、激光发射原理激光准直仪可以发射单色、高强度的激光束，其核心技术是激光的发射原理。
激光是由激光器中的激光介质（如He-Ne、Nd:YAG等）所产生的，并通过光机系统将激光束做成平行光线发射出去。
激光的发射具有相干性强、方向性好、空间相干长度长等特点，因此具有高亮度性质。
激光准直仪中常用的激光器有He-Ne激光、半导体激光和固体激光等。
He-Ne激光器是一种常见的气体激光器，具有单色性好、光束质量高等优点。
而半导体激光器体积小，效率高，但线宽大，不适用于精密测量。
固体激光器具有较大的输出功率和较高的光束质量，因此被广泛应用。
二、激光束偏转原理激光准直仪中的激光束偏转主要是通过光学元件来实现的，常见的光学元件有反射镜、透镜和棱镜等。
激光准直仪中常用的光学元件是反射镜。
激光准直仪中的反射镜一般分为二面反射镜和三面反射镜两种。
二面反射镜由两块平行的反射面构成，常用于对准垂直方向和水平方向；而三面反射镜则由三块相互垂直的反射面构成，可以同时对准垂直方向、水平方向和竖直方向。
当激光束通过反射镜时，会依照反射镜的角度发生偏转，从而实现对准垂直方向和水平方向，达到准确定位的目的。
三、光电测量原理激光准直仪还需要通过光电测量原理对测量值进行确定。
光电检测是通过光电二极管集成电路将光电转化为电信号，经放大、滤波、数字化等处理后，达到对物体位置的测量。
在激光准直仪中常用的光电检测元件有光电倍增管、光电二极管、CCD等。
在进行精密的测量时，通常采用CCD，以提高测量的精度和稳定性。
激光准直仪原理是利用激光的发射、光束偏转和光电测量原理，将物体的水平和垂直方向的相对位置进行测量。
半导体激光引信光束准直技术研究
２半导体激光 引信准 直原理
２． 半导体 激 光 引信工 作原 理 １ 半 导 体激 光 引 信 是 利 用 激 光 束 探 测 目
标 的 引 信 导 体 激 光 引信 由激 光 发射 机 、 半 激 光 接 收 机 、 号 处 理 电路 、 行 电路 和 电 信 执 源 等 组成 。 导 体 激光 引信 发 射 机的 辐 射源 半 通 常采 用 半导 体 砷化 稼 激 光 器 。 用 不 同波 利
Ｑ：
Ｓ Ｃｉ ｅｎｃ ｅ ａｎ Ｔ ｅｃｈｎ ＯｇＹ Ｉ ｄ ｏＩ Ｉ ｎＯｖ ｉ Ｈｅｒ ｄ ｑ ａｔ ｏｎ ａｌ
研 究 报 告
半 导体 激 光 引信 光 束 准 直 技 术研 究 ①
胡 弱’ 辛德胜 杨 帆。 （ ， ． 春理工 大学 光电工程 学院 吉林长春 ； ２ 长春理 工大学 吉林长 春 ） １ ３长 ． 摘 要 ： 中介 绍 了半导体激 光 引信 的工作 原理及 其光学 系统 的工作原理 ， 文 并通过对 半导体激光 引信的光束特性 进行分析 ， 设计 出使 用柱 透镜的方 法对半导体激 光 引信光束进行 准直 。 通过使 ｍＺ ＭＡＸ软件进行 仿真模拟验证 ， 到结果满足设 计要求 。 Ｅ 得 关键 词 ： 半导体 激光 器 激 光 引信 准直 系统 ｚｍ ｘ ｅ ａ 中图分 类号 ： Ｍ６ Ｔ 文 献标 识码 ： Ａ 文章编 号 ：６ ４ ０ ８ （ ０ ０ （） ０ ２－０ １ ７ — ９Ｘ ２ １ ）８ａ一 ０ ５ ２ ２
形 的 电流 信号 注 人激 光 器 的泵 浦 电源 ， 使激 光 器 发 射 的 激 光 束 受 注 人 的 相应 波形 信 号 的 调 制 。 人 激 光 器 泵 浦 电源 的波 形 信 号 ， 注 通 常 是 有 一 定 重 复频 率 的 脉 冲 ， 编 码 脉 或 冲 ， 一 定 频率 的连 续 波 。 就 是 说激 光 引 或 这 信 的 工 作 体 制 由 注 人 激 光 器 的泵 浦 电源 的 波形 信 号 决定 。 目前 激 光 引信 最 常用 的 工作 体 制 是具 有一 定 重复 频 率 的 脉 冲 体 制 。 当 目标 位于 激光 引信 接收 机光 学 系统的
Research on Semiconductor Collimator Design Based on ZEMAX
Ａ ｂ ｔ ａ ｔ Ｗ ｈ ｎ ａ ｓｎ ｌ ｐ ｅ ｉａ ｉｒ ｒ ｉ ｓ ｄ ｔ ｏ ｐ ｅ ｓ ｌ ｓ ｒ ｂ ａ ，ｔ ｅ ｅ ｕ ｕ ｌ ｓ ａ ｐ ｏ ｌ ｍ ｓｒｃ： ｅ ｉ ｇ ｅ ｓ ｈ ｒｃ ｌｍ ｒ ｏ ｓ ｕ ｅ ｏ ｃ ｍ ｒ ｓ ａ ｅ ｅ ｍｓ ｈ ｒ ｓ ａ ｌ ｉ ｒ ｂ ｅ ｙ
ｆ ｎ ｔｏ ｎ ｉ ｈ ｎ Ｚ ｕ ｃ ｉ ｎ ａ ｄ ｗｅｇ ｔ ｉ ＥＭ ＡＸ．Ｂｙ ｕｓｎ ｏ — ｐ ｒｃ ｌｓ ｒａ ｅ ｉ ｅ ｃ ｌ ｍ ａ ｉ ｎ ｉ ｉ ｌ ｍ ｅ ｔ ｄ ａ ｉ ｇ ａ ｎ ｎ ｓ ｈｅ ｉ ａ ｕ ｆ ｃ ，ｆ ｏ ｌ ｎ ｉ ｔｏ ｓ ｍｐ ｅ ｎ ｅ ｔ ａ ｄ ｖ ｒ ｅ ｃ ｎ ｌ ｆ０ ０ ２ ｍ ｒ ｄ．Ｔｈｉ ｄ ｓｇ ａ ｈ ｅ ｔ ｒ ｓ ｏ ｓ ｅ ｓ ｓ ａ ｄ ｓｍｐｌ ｔ ｕ ｔ ｒ ． ｉｅ ｇ ｎ ｅａ ｇｅ ｏ ．３ ａ ｓ ｅ ｉ ｎ ｈ ｔ ｅ ｆ ａ ｕ ｅ ｆｌ ｓ ｌ ｎ ｅ ｎ ｉ ｓ ｅ ｅ ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ
文章编号： １７—７５２ １）３０２—５ ６２ ８ （ ２０Fra bibliotek０２０ ８ ０
大功率半导体激光器光束整形研究
《大功率半导体激光器光束整形研究》半导体激光器由于特殊的结构，造成远场发散角在快轴（垂直于PN结方向）方向和慢轴（平行于PN结方向）方向极不对称，也就是说半导体激光器的远场光场不是圆对称，通常可以表示为I(θx,θy)=I0e−2[(θxαx)2G x]+(θyαy)2G y（1）式中I0是光轴上的光强，αx是ｘ轴方向光强降为光轴光强I0的1/e2时的角度，αy是ｙ轴方向光强I0降为光轴光强的1/e2时的角度；G x、G y沿ｘ方向和沿ｙ方向的超高斯因子，如果是高斯光束，超高斯因子G x、G y为1，超高斯因子越大的激光光束，远场分布越均匀。
半导体激光器的发散角定义为峰值光强I0—半处的全角宽度θefhm，对于基模高斯光束有αx=√2ln(2)（2）半导体激光器快轴方向的发散角θ⊥可以表示为：θ⊥≈ 4.05(n2̅̅̅̅2−n1̅̅̅̅2)d/λ1+[4.05(n2̅̅̅̅2−n1̅̅̅̅2)/1.2](d/λ)2（3）其中λ是激光波长；n1̅̅̅是限制层折射率；d是有源区厚度；n2̅̅̅是激光器有源区折射率。
半导体激光器有源层很薄，只有1微米左右，即d很小，可以忽略，上公式可以改写为θ⊥≈4.05(n2̅̅̅̅2−n1̅̅̅̅2)dλ（3）由上式可知，θ⊥和d成正比，。
当有源区厚度与波长可比拟时，并且还工作在基横模时，可以忽略（2）中的1，而近似为：θ⊥≈1.2λd（4）该式说明有源区厚度在一定的范围内，横向光场具有良好的高斯光束特点。
在此范围内，θ⊥随d的增加而减小，符合光的衍射理论。
一般情况下，半导体激光器快轴方向远场分布为高斯分布，因此在模拟和设计中超高斯因子G x设定为1。
大功率半导体激光器的慢轴宽度W很宽，通常在百μm量级，其发散角θ∥较小，当慢轴方向宽度较小，激光在慢轴方向横模还处于基膜工作状态，此时平行于结平面的发散角可表示为：θ∥≈λW，当慢轴宽度W小于基模最小宽度时，激光器处于横向基膜工作状态，当W大于基膜最小宽度时，激光器处于横向多模工作状态；例如红光激光器基膜最小宽度一般在3μm左右，此时θ∥约为12.4°，当W小于这一宽度是，发散角随着W的变小而变大；当W 大于基模最小宽度时，可理解为激光器横模上有多个基模在工作，并重合在一起。
激光准直系统
左预加载标定
1、将测量小车置于“左预加载”状态；测量原理设为“三点法”。 2、将拨道作业档位开关设在2挡（人工+激光），激光接收开关 扳倒调整位；按动左按钮或右按钮，将拨道数字表调到0 3、前后移动捣固车寻找拨道0点。当拨道表的指针摆到红区内 时停车，在接收小车轮下方的轨道上作一标志，即为A基准点。 4、打开接收器前端盖；打开接收器电源，将激光接收器置于调 整，准备发射器对光。
（2）横向风力较大（四五级以上） （3）接收器光电元件老化
（1）钢丝轮复位弹簧失效或折断 （2）钢丝轮上钢丝出槽
排除方法
更换新电池 更换发射器
校准光束 更换发射器
更换蓄电池或检查充电 电路板
更换接收器 更换水平移动架 不宜使用激光
更换接收器
更换复位弹簧 重新盘绕钢丝轮
激光准直系统的维护
• 检查发射器的电池电量是否充足，否则更换新电池 • 定期测量接收器充电电源箱的输出电压值，测量点在E19或E61，
右预加载标定
右预加载标定标定操作方法与“左预加 载标定”操作方法相同。当捣固车置于 “右预加载”状态时，激光发射小车也应
当置于“右预加载'状态。
捣固车机械零点标 定后，发射小车和 下摇架不能互换使
用
不要随意拆卸发射 架的机罩
NO标意操项定注事作TICE
调整标尺前千万不 要动下摇架手柄。
激光发射小车必须 与钢轨可靠锁定， 不得有任何松动。
力很大，以至于，人们过去常把激光称为“死光”。
激光焊接 激光测距 激光雷达 激光唱片
基于532nm半导体激光器的远距离传输高精度准直系统设计
研制与开发
带形 成大 量 的 电子一 空穴 对 而实 现 的 ，也可 以 由光
１６ｎ 的 激光 ，再 经 过非 线 性 晶体 的倍 频 作 用 就 ０４ ｍ 可 以产 生 ５２ ｍ 的绿 色 激 光 。 绿 光模 组类 似 于 电 ３ｎ 子元 件 中 的集 成 电路 ，具 有 模 块 化 、集 成 化 的 特
的 概率 是相 同 的。如 果 考虑 含 有 大量 电子 的系 统 ， 在 热平 衡状 态下 电子按 能量 分 布是遵 从 费米一 狄拉 克 分 布 ， 能级 占有 的 电子 数 比低能级 的电子数 少 ， 高
因此总的效果是光被吸收。当给系统供给能量以实 相干激光输出的装置 半导体激光器从最早 的提 出设想 ，到 １５ 年 现 分 布反转 则产 生净 的光辐 射 而获得 光放 大 ，此 即 ９８ Ｓ ｃ ｏｗ— Ｔ ｗ ｅ 建 立激光 器 的基本理 论 ，直至 激 光作 用 的基本 原理 。 ｈｗａ ｌ ｏ ｎｓ 半 导体 中的反转 分布是 由价带 的 电子激发 到导 １６ 最早 的半导 体激 光器 Ｇａ 激光器 中观 察到 ２年 ９ Ａｓ
容 易而在半 导体 激光 束准 直领 域 获得较 多的应 用。
关 键词 半 导体 激光 器 准直 激光扩 柬镜
引
言
半 导体激 光器 具有体 积小 、发 光效 率高 、结构
低 温 脉 冲激 射 并 于 １７ 完 成 室温 连 续 激射 ，人 ９０年 们 为半导 体激 光器 的诞 生和发 展进 行各 种不 懈 的努 力 ，现在 ，作 为典 型光 电子器 件 ，半导 体激 光器 已
简单、 可高速直接调制 、 调制频率高 、 可靠性能好、 使用寿命长等特点 ，它被认为是最具有发展前途 的 几件激光器之一 ，它的应用 日益增长 ， 并有希望替 代许多气体激光器的应用 ，然而与其它激光器相比 较 ，半 导体檄光 器 发 出激 光发 散角度 很大 ，并且 是
半导体激光准直
半导体激光准直
半导体激光准直是指通过光学系统对半导体激光器发出的光束进行准直和整形，以提高光束的方向性、光斑的能量密度及光场的均匀度，从而扩大半导体激光器的应用范围。
半导体激光器发出的光束是存在固有象散的椭圆高斯光束，光强分布极不均匀。
为了提高发射天线的工作效率以及光纤通信中的耦合效率，需要对光束进行准直。
在准直过程中，一般会使用准直透镜保持架，并将其垂直竖置在热沉上。
准直透镜的选择非常重要，常用的有球面准直透镜、自聚焦准直透镜、非球面准直柱透镜和非球面反射准直镜等。
由于半导体激光器出射光束的发散角非常大，且相差较多，因此要求透镜的准直度非常高。
球面准直透镜和自聚焦准直透镜的准直度较低，一般不能满足准直要求。
而非球面准直柱透镜可以通过非球面处理来减小球差，提高准直度，并且可以避免使用多片准直透镜带来的复杂程度。
以上内容仅供参考，如需更多信息，建议查阅相关文献或咨询专业人士。
实验一半导体激光器P-I特性曲线测量(常用版)
Δν=c/2ngL (7)
式中，λ为激射波长；c为光速；ng为有源材料的群折射率。
一般的半导体激光器其纵模间隔为0.5～1nm，而激光介质的增益谱宽为数十纳米，因而有可能出现多纵模振荡。然而传输速率高(如大于622Mb／s)的光纤通信系统，要求半导体激光器是单纵模的。这一方面是为了避免由于光功率在各个纵模之间随机分配所产生的所谓模分配噪声；另一方面纵模的减少也是得到很窄的光谱线宽所必须的，而窄的线宽有利于减少在高数据传输速率光纤通信系统中光纤色散的影响。即使有些激光器连续工作时是单纵模的，但在高速调制下由于载流子的瞬态效应，而使主模两旁的边模达到阈值增益而出现多纵模振荡，因此必须考虑纵模的控制。为了得到单纵模，应弄清纵模的模谱，影响单纵模存在的因素，才能设法得到所要求的单纵模激光器。
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。
如果半导体激光器发射的是理想的高斯光束，应有如下的光强分布:
I(r)=Imaxexp(-2(r/w)2) （1）
(4)在直接调制下张弛振荡频率降低。
一般来说，半导体激光器有比气体和固体激光器高约5个数量级的自发发射因子(10-4)。由图8看出，纵模谱随γ变化很大。当γ＝10-5时，几乎所有的激光功率集中在一个纵模内，即单纵模工作；当γ＝10-4时，只有约80％的光功率集中在主模上，而其余的由旁模所分配；当γ＝10-3时，则有更多的纵模参与功率分配。另一方面，若自发发射因子γ→1(如在微腔情况)，则出现量变到质变的情况，此时每一个自发发射光子引发出一个受激发射光子，却能得到很好的单纵模。
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第20卷 第1期1999年应 用 光 学V ol.20,No.11999半导体激光束准直系统的研究X王秀琳 黄文财 郭福源(福建师范大学激光研究所,福州,350007)【摘要】 根据二维高斯光束的传输与变换特性,从波像差理论出发,合理设计半导体激光束的准直物镜,并利用几何光学方法推导出正确的校正像散及旋转对称化变换的计算公式。
关键词 半导体激光束 准直 校正像散 旋转对称化引言随着半导体激光器技术的不断发展,半导体激光器已逐步取代He-Ne激光器,广泛应用于各个领域。
但由于半导体激光器输出光束为像散椭圆高斯光束,必须经过校正像散后获得共腰椭圆高斯光束才可应用。
在科研、准直等应用领域中,要求光束为圆光斑高斯光束,才能取代He-Ne激光器。
因此,必须对校正像散后的光束进行旋转对称化。
本文通过详细分析半导体激光束束内功率的分布特性,确定准直物镜的数值孔径,合理设计准直物镜的光学结构及参数,利用几何光学方法正确推导出实现像散校正的柱面透镜的焦距计算公式,并从理论上分析了柱面透镜位于准直物镜之前和之后两种校正像散方案的优缺点。
最后采用结构简单的棱镜实现椭圆光斑旋转对称化。
1 半导体激光束准直系统1.1 半导体激光束经圆形光孔的耦合效率半导体激光器输出的光束为像散椭圆高斯光束,如图1所示。
弧矢平面的曲线被旋转90°后绘制于子午平面上,其光强分布为I=I0ex p-2x2X2s+y2X2t(1)式中,I0为光阑面上光束中心点强度;X s、X t 分别为弧矢和子午方向上光束半径。
图1 半导体激光束特性示意图由(1)式可知,半导体激光束半强度处的全宽度角H1/2与远场发散角H0=K/P X0的关系如下:H0=H1/2/2ln2(2) 在高斯光束传播过程,远场区X=Z・H0,则子午和弧矢方向上光束半径之比X t/X s 可由子午和弧矢方向上半强度处全宽度角之1X福建省自然科学基金资助项目比H 1/2,t /H 1/2,s =m 来描述:X t /X s =m(3) 一般光学仪器的通光孔呈圆形,在极坐标系下,x =r cos H ,y =r sin H ,(1)式简化为I =I 0ex p[-2k 2(m cos 2H +1msin 2H )](4)式中,r 0为等效光束半径;r 0=X s X t ;k 为通光孔半径与等效光束半径之比,k =r /r 0。
由于半导体激光器的光功率为P =∫2P 0∫r0I r d r d H 则光束经过圆形孔光阑时,光功率的耦合效率G =P /P all ,即G =1-2P∫P 2ex p[-2k 2(m c o s 2H +1msi n 2H )]m cos 2H +1msin 2Hd H 100%(5) 本文使用的半导体激光器的型号为COC670-G,H 1/2,s =10°,H 1/2,t =40°,即m =4。
由(5)式可得光功率耦合效率G 和通光孔径与等效光束半径之比k 的关系曲线,如图2所示。
图2 圆形光孔的光功率耦合效率k -G 关系曲线半导体激光束准直物镜通光孔径可由k -G 曲线确定。
本文选取k =1.5,此时G =86.06%,由(2)式得孔径角u =r /z =k m H OS =25.5°,由此确定准直物镜数值孔径N A =n sin u =0.43。
1.2 半导体激光束准直物镜半导体激光束准直物镜结构如图3所示。
LD 和L 0分别为半导体激光器及其封装图3 半导体激光束准直物镜结构示意图玻璃窗,它们是构成半导体激光器自身的组件。
L 1为本文设计的单球面平凸透镜,L 2为校正光束经L 1面后波像差的补偿板,它们构成半导体激光束准直物镜。
根据折射面的近轴成像公式,准直物镜焦距与准直物镜结构参数的关系为f ′=(D 1+D 3)+(D 2+D 4)/n (6)式中,D 1为半导体激光器到封装玻璃窗的距离;D 2为封装玻璃窗的厚度;D 3为单球面平凸透镜L 1到封装玻璃窗L 0的距离;D 4为单球面平凸透镜的厚度。
定义波像差为实际波面与理想波面的光程差,则经r 1面后的波像差为W =(D 1+D 3)/cos u +nr 1cos A+n (D 2+D 4)/co s i -J(7)式中,J =nr 1/cos i +nr 1sin A tg i -r 1cos i co s A+r 1sin i sin A -r 1/(n -1);r 1=(D 1+D 3)(n -1)+(D 2+D 4)×(n -1)/n ;i =arc sin(sin u /n );A=ar c sin {cos i /r 1[(D 1+D 3)]tg u +(D 2+D 4)tg i -r 1tg i ]}。
(6)式和(7)式表明,准直物镜焦距f ′以及经单球面平凸透镜L 1后的波像差W 由(D 1+D 3)、(D 2+D 4)和U 决定。
若轴向结构2参数满足:D 1+D 3=C 1(常量)D 2+D 4=C 2(常量)不仅可保证准直物镜焦距f ′为定值,而且经L 1后的波像差仅与U 有关。
由于封装时D 1=0.7～1.5mm ,D 2=0.17～0.3mm ,因此封装引起的D 1误差可由修正D 3校正,玻璃窗本身加工厚度D 2的误差可由修正D 4校正。
本文设计的准直物镜参数为:r 1= 5.2mm,D 1+D 3= 6.08m m ,D 2+D 4=6m m ,其焦距f ′=10mm 。
补偿板第一面为平面,第二面为曲面。
根据等光程是完善成像的物理条件,补偿板曲面坐标参数由下式决定:W +(n -1)x =0(8)y =r 1sin(i +A )(9)式中,x 为补偿板横坐标;y 为纵坐标。
补偿板曲线如图4所示。
图4 补偿板曲线图由(1)式可知,高斯光束的能量主要集中在束轴附近,因此校正近轴区的波像差即可满足使用要求。
考虑到非球面补偿板L 2加工困难,所以本文采用无光焦度透镜取代补偿板来校正经r 1面后近轴区的波像差。
无光焦度透镜曲率半径r 2、r 3与厚度d 满足:r 2-r 3=(1-1/n )d(10)本文选取d = 2.93m m,r 1=20.5mm ,r 2=19.5mm ,可在孔径角6°以内获得良好的校正效果。
2 半导体激光束旋转对称化2.1 像散校正半导体激光器输出光束具有本征像散,即弧矢束腰O s 与子午束腰O t 不重合,如图1所示。
以弧矢束腰O s 为坐标原点,将束腰分离量O s O t 定义为像散量,以Z st 表示。
本文采用柱面透镜校正半导体激光器本征像散来得到共腰椭圆高斯光束,柱面透镜母线与弧矢平面重合,柱面透镜可放置于准直物镜之前或之后。
2.1.1 柱面透镜C 位于准直物镜L 之前如图5(a )所示,弧矢束腰O s 与准直物镜L 的物方焦点重合,子午束腰O t 经柱面透镜C 成像于O s ,由于瑞利距离Z R =P X 2O /K 较小,所以柱面透镜C 位于半导体激光束远场区。
根据几何光学高斯公式,子午光束物像关系为1/f ′c =-1/l -1/x c(11)由于l =x c -Z st ,(11)式化简为f ′c =x 2c /Z st -x c (12)式中x c 是以准直物镜L 的物方焦点为原点的柱面透镜位置。
2.1.2 柱面透镜C 位于准直物镜L 之后如图5(b )所示,组合透镜的物方焦点与子午束腰O t 重合。
根据等效系统物方焦点位置计算公式[1]x F =f L f ′L /(d -f ′L -f ′c ),利用x F =Z st 得:(a )柱面透镜C 位于准直物镜L 之前3(b)柱面透镜C 位于准直物镜L 之后图5 半导体激光束准直系统的校正像散变换1f ′c-d =1f ′L -Z st -1f ′L(13)在文献[2]相应公式中,F cly =f ′c ,F cou =f ′L F ast =f ′L +Z st 。
从图5(b )中可见,f ′L =d -x ′c ,则(13)式简化为f ′c =f ′2L /Z st +x ′c(14)式中,x ′c 是以准直物镜L 的像方焦点为原点的柱面透镜位置。
由于COC670-G 半导体激光器的像散量Z st =40L m,f ′2L /Z st m x ′c ,则(14)式简化成:f ′c=f ′2L/Z s t (15)其中,当x ′c =0时,即当柱面透镜位于准直物镜像方焦点处时,(15)式为精确公式。
比较(12)式和(14)式可知,当柱面透镜位于准直物镜前方时,f ′c 与x c 成二次方关系。
当柱面透镜位于准直物镜之后时,f ′c 与其所处位置无关,在实际中便于系统安装调校。
由此可见,第二种方案为实用的校正像散光学系统设计方案。
一般而言,半导体激光器给定参数为子午方向与弧矢方向的远场发散角及其比值m ,经校正像散后的共腰椭圆高斯光束子午和弧矢方向束腰比可根据X ′F =-f H 0及H 1/2,t /H 1/2,s =m 得:X ′F ,t /X ′F ,s =m(16)2.2 旋转对称化根据以上的讨论,从校正像散元件出来的光束是共腰椭圆高斯光束,其长短轴之比为m =4。
为了获得质量更好的光斑即圆形光斑,必须对椭圆光斑圆形化。
目前有两种方法:一是采用离焦望远镜结构[3];二是采用棱镜对。
由于离焦望远镜结构调焦困难,因此本文采用棱镜对实现椭圆光斑的旋转对称化。
如图6所示,单棱镜对光束的横向缩放倍数为[4]:m =(n 2-sin 2H )[1-(sin A n 2-sin 2H -co s A sin H )2]cos H (cos A n 2-sin 2H +sin A sin H )式中,A 为棱镜顶角;H 为入射角。
当入射角H=0°时可获得最大压缩比。
上式简化为m =cos A /1-n 2sin 2A(17)图6 单棱镜的横向缩放特性 由于本文设计的准直物镜主要对近轴区校正像差,弧矢方向光束发散角较小,并且其光束质量较好,因此在对椭圆光斑旋转对称化时把子午方向光束压缩成与弧矢方向光束的大小一样(压缩比为4)。
棱镜对放置如图7所示,棱镜的入射面与入射光线垂直。
图7 椭圆光斑的旋转对称化棱镜组当M =m 2=4时,根据(17)式可得棱镜4顶角A=37°6′32″。
参考文献1 王子余.几何光学与光学设计.杭州:浙江大学出版社,1989:59～602 M ichael L ang.Co rr ecting astigmatism in diodelaser s.L asers&O ptro nics,1989;8(9):51～55 3 郭福源.A BCD矩阵与像散椭圆高斯光束的传输变换.福建师范大学学报,1997;13(3):28～344 陈海清.用于半导体激光器的高效能量耦合镜与整形镜.光子学报,1994;23(4):344～348RESEARC H ON SIMICONDUCTOR LASER BEAM COLLIMATORSWang Xiulin Huan Wencai Guo Fuyuan(Fujian T eachers U niver sity,Fuzhou,350007)Abstract: Ba sed on the tr ansfo rmat ion pr oper ties of tw o-dimensio nal Gaussian beams and the t heo r y of w ave-fro nt aber rat ion,t he semico nduct or laser beam collimating lens ar e desig ned,and the ex act for mulas of cor recting astig matism and r ot ary symmetr ization tr ansfo r matio n are der ived fr om a g eometr ical optics method.Keywords: semiconducto r laser,collimating,cor r ect ing astigmat ism,r ota ry sy mmetr izatio n掺钛蓝宝石的发展线性调频脉冲放大系统放大级的进展归结为新材料和波长、大能量、高平均功率。