1、第 1 页 共 39 页摘要本论文综述了国内外对于半导体激光器光束整形技术的研究现状，阐述了研究光束整形变换的理论方法。研究了 532nm 绿光激光器的光束特性，采用高斯光束描述半导体激光器的输出特性。在此基础上提出了在半导体激光束得到准直的情况下，可使其出射光束的发散角在一定范围内得到压缩，由此设计了一个半导体激光器光束整形发射系统。此系统的整形元件由透镜组合而成，利用光学软件对半导体激光束进行了准直模拟，结果表明，该系统在满足光束准直的前提下，可使其发射角尽可能的得到压缩。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（在垂
2、直和平行于结平面方向上的发散角大小分别在 30左右和 10左右） 。因此，激光器输出的高斯光束，需要实现准直和扩束，进一步压缩发散角和缩小光斑尺寸，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。整形系统具有体积小、易于集成等优点。本文主要针对激光准直技术进行了深入的研究，并对准直光学系统进行了优化设计和仿真。论文主要内容如下：（1） 推导出高斯光束经望远镜扩束准直系统变换后远场发散角的解析表达式。针对望远镜系统各结构参量对系统准直性能的影响进行了仿真分析。分析表明适当调整各结构参量，能有效提高准直系统的准直效果。（2） 用计算机仿真为平台，举例设计了一组望远镜系统
3、，并采用光学设计软件对其进行了像差优化。仿真结果表明，所设计系统具有良好的准直效果。（3） 根据几何光学基本原理，针对半导体激光器准直系统进行了优化设计。（4） 仿真分析结果表明：当不考虑半导体激光器的固有像散时，当考虑固有像散时，准直系统理论上都能将激光光束子午和弧矢面上的光线完全准直。并且，两种设计方案均可将半导体激光器发出的椭圆光斑准直整形为一个直径约为 2cm的对称圆光斑，有效提高了激光器光束质量。关键词 激光整形；半导体激光器；准直；发散角；ZEMAX 仿真；第 2 页 共 39 页AbstractThis paper reviews the domestic and the bea
4、m shaping technology, Research, describes the research method of beam shaping theory of transformation. Of the 532nm green laser beam characteristics of the Gaussian beam description of semiconductor laser output characteristics. On this basis proposed by the semiconductor laser beam alignment cases
5、, so the laser beam divergence angle was reduced within a certain range, thus the design of a semiconductor laser beam shaping launch system. Plastic components of this system by the lens combination of software for semiconductor optical laser beam was collimated simulation results show that the sys
6、tem in meeting the collimated beam, under the premise to launch angle can be compressed as much as possible.Since the structural characteristics of semiconductor lasers, so it sends the beam in the direction perpendicular to the junction plane far-field divergence angle and parallel to the junction
7、plane direction of the disparity in the far field divergence angle (in vertical and parallel to the junction plane direction of the divergence angle sizes of about 30 and 10 or so). Therefore, the output laser beam, the need to achieve alignment and beam expander to further compress and narrow diver
8、gence angle of spot size, in almost all demanding application areas, the output beam must be carried out by a special optical system alignment.The reshaping system is compact, easy to integrate and so on. In this paper, laser alignment technology for in-depth research and targeting direct optical sy
9、stem optimization design and simulation. The main contents are as follows:（1）. Gaussian beams is derived by the telescope beam expander collimator transformed divergence angle was derived. Structure for the telescope system parameters on the performance of the system alignment was simulated. Analysi
10、s showed that adjusted the structure parameters, can improve the alignment of the collimation effect.（2）. Using computer simulation as a platform, for example, designed a set of telescope system, and its optical design software optimized for the aberration. 第 3 页 共 39 页Simulation results show that t
11、he designed system has good collimation effect.（3）. According to the basic principles of geometrical optics for semiconductor laser alignment system is optimized.（4）. Simulation results show that: When not considering the inherent astigmatic laser diode, when considering the inherent astigmatism, th
12、e alignment laser beam can theoretically meridian and sagittal plane alignment of light completely. Also, two design options are issued by the semiconductor laser collimated elliptical beam shaping for a symmetric circular diameter of about 2cm spot, effectively improve the quality of the laser beam
13、.【Key word】 Laser reshaping; Semiconductor laser; Collimation; Divergence angle; ZEMAX simulation;1 绪论1.1 研究意义及背景1.1.1 半导体激光器的背景一、半导体激光器的主要应用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。半导体激光器在军事、工业、医学等许多方面有着重要的应用前景，但由于半导体激光器输出光束具有较大的发散角，因而在几乎所有要求较高的应用领域中，其输出光束都
14、必须通过特殊的光学系统进行准直。第 4 页 共 39 页激光器根据其工作性质的状态可分为气体激光器、固体激光器和半导体激光器。在可见和红外光谱范围的激光器产生的相干辐射，其横向尺寸比辐射波长大，场分布具有高斯型轮廓。因此采用高斯光束作为激光光源模型，对其准直性能进行研究，具有十分广泛的应用价值。与此同时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，因此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激活通道，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度30 度和 30 度60 度，从而形成像散，并在远场形
15、成椭圆光斑。而对半导体激光器的许多应用，总是希望在远场有圆对称的光斑，以便用普通的透镜系统聚焦成小光点。因此需要对半导体激光器发出的光束进行光束传输质量处理。激光束准直系统是空间光通信系统中一个重要的组成部分，其目的是要压缩光束的发散角，并缩小子午方向和弧矢方向发散角之间的差距，使得激光器输出的椭圆光斑整形为圆对称光斑。目前，己经有许多技术或方案被应用于实验室或生产领域并取得一定的效果，但是，所有这些技术或方案都存在这样或那样的问题，比如：有些技术整形效果很好但器件的加工却非常困难从而限制了该技术的推广应用；而有些技术，虽然加工容易、取材方便，但其整形效果却不太理想。所以，提出新的整形方案或对
16、原有技术加以改进，研制出高效、简单、容易实现的整形系统是半导体激光束整形技术发展的主要途径。（一） 、在激光医疗方面：在医学中，随着半导体激光器技术的发展成熟，半导体激光器也有着广泛的应用。例如低功率 810nm 近红外半导体激光器，由于其波长的激光穿透力强，使介质对其吸收最少，而且光斑直径可调节的范围大，是眼科中最常用的热源，可用于治疗各种难治性青光眼、以及视网膜的光凝和固定等。半导体激光器在外科领域中较常用的有 CO2 激光器和 Nd:YAG 激光器。然而近年来，带光纤耦合输出的半导体激光手术刀也逐步进入市场。其优势在于半导体激光对组织照射穿透较深，比较适于组织切割。并且高功率半导体激光器
17、与功能性同的 CO2 激光器和 Nd:YAG激光器相比，具有体积小、重量轻、价格低廉、无需水冷及可在门诊使用等优点，使其成为目前最新一代的医用激光手术刀，具有非常好的发展前景。除此之外，在其他方面也是应用广泛。在美容科里，主要包括以下几个方面：1）激光脱毛治第 5 页 共 39 页疗；2）激光除皱治疗；3）粉刺、痤疮等的治疗；4）色素性皮肤疾病的治疗。还有牙科，口腔科，耳鼻喉科，肿瘤科，针灸理疗科也有很多应用。在激光各应用领域中,医学是应用激光技术最早、最广泛和最活跃的领域。（二） 、可见光半导体激光器的应用:70 年代后期以来所发展的可见光半导体激光器以其功耗小、能直接调制、体积小、重量轻、
18、高效率、高可靠性和低成本等系列突出的特点，使它迅速占领了早期 He 一 Ne 激光器的大部分市场。特别是 90 年代初以来，实用化的红光半导体激光器的波长己逼近 He 一 Ne 激光器的 632nm，更使 He-Ne 激光器除在要求相干性很好(如全息照相或干涉计量等)的某些应用外，其它的市场已大部分为可见光半导体激光器所取代，特别是在以下一些方面，如:光信息存储、条形码扫描、激光印字或复印、医学领域、海洋探测领域等。（三） 、在工业生产中：在工业生产过程中，大功率半导体激光器可广泛地用于激光打孔、切割、焊接、钎焊、划片、激光材料表面硬化处理、激光烧结、热压成型等方面，这些应用一般不要求特定的波
19、长，加工效应主要是热效应，所以可以使用任何近红外半导体激光器模块，通常使用的器件以 AlGaAs 和 InGaAs 为基质，发射波长分别为810nm 左右和 960nm。用大功率半导体激光模块焊接塑料和用超声或加热工具之类的非激光方法相比，激光焊接在对付复杂几何形状方面有明显的优势。相信随着技术的发展，大功率半导体激光器的应用将不断扩大，甚至一些意想不到的领域也可以应用激光。二、半导体激光整形的发展前景20 世纪 70 年代初实现了半导体激光器的室温、连续激射后，开创了半导体激光器发展的新时期。已经被广泛应用于科研和工业等众多领域，成为光纤通信、光纤传感、光盘记录存储、激光打印、固体激光器泵浦
20、以及激光医疗中的常用光源。随着半导体激光器激应用领域越来越广。半导体激光器已经在光电子技术领域中起着其他激光器不可取代的作用。采用半导体材料，半导体激光器己经成熟的红外激光器，以及目前正在研究中的紫色和紫外半导体激光器，从而构成了多材料、多波段的半导体激光器家族。随着技术的发展和科研、工业等各领域的需要，半导体激光器朝着高能量、大功率的方向发展。第 6 页 共 39 页20 世纪 80 年代，量子阱理论的提出和半导体的器件设计以及高质量原子层生长技术的发展，极大的优化了半导体激光器的特性，使半导体激光器在提高输出功率方面得到了重大的突破:连续工作输出功率达到 10w、100w 级，准连续工作的
21、输出功率达到了 100w 级，甚至 1000w 级，脉冲工作的输出可以更高。为了提高半导体激光器的输出功率，人们研制出了各种各样的复杂结构以增加有源区的增益，降低内部的吸收损耗和端面的透射损耗，加长加宽发光区域的面积以及降低发光面的功率密度，从而增加输出功率。20 世纪 90 年代，准直技术在生产和生活中得到了极其广泛的应用。在机械零部件轴孔同轴度、同心度，光学元件同心度测量中，尺寸和形位误差的测量对于提高零部件的制造及安装精度、工作效率和延长工作寿命是至关重要的，而高精度测量的技术关键和难点在于需建立长跨距的测量基准线。利用激光束良好的相干性、高亮度和很好的方向性，可以用来作准直参考线，可实
22、现孔同轴度的高精度测量。在天车轨道检测中，轧钢、管加工、中间仓库等厂房的天车轨道，由于全部在封闭厂房内作业，厂房内部光照不足，而且轨道类型不一、长度不等（200m500m） ，若采用常规方法，难以保证检修任务顺利完成，而且精度也难以保证。若使用激光准直仪，则效果很好，精度也高。在水利方面，在目前我国已建成的众多水库中，它们发挥了巨大的经济效益和社会效益，安全监测作为水库安全运行的重要措施，为了提高监测的速度和效率，利用准直技术研制的大坝安全监测系统来检测大坝外部变形（包括坝体水平位移观测和坝体垂直位移）既经济合理，又可确保安全监测的有效性。测量用途的激光除了常用的二极管激光器与氦氖激光器外，在
23、一些特殊场合中，也有一些较高功率的激光，作为大面积或长距离的测量之用。（一） 、信息处理领域: 半导体激光器经历了一个相当长的发展史及以后，现在正趋于成熟。（二） 、光电子器件集成领域: 随着半导体激光器及其他光电子器件工艺的逐步成熟。未来的高速信息处理中，逻辑门之间的信息传递，尤其是芯片和插板之间的信息传递，用光子(或光波)作为载体是突破电路“瓶颈”效应的有效途径，这就要用空间光互连或波导光互连来代替导线连接。这时，要求在计算机的逻辑门列阵芯片上安装微型、低功耗、高响应速率、窄线宽的垂直腔面发射激光器列第 7 页 共 39 页阵。同时还要进一步考虑与空间光调制器、光电检测器面阵、微透镜列阵的
24、集成组合。所有这些应用和发展的领域，都直接或间接地对半导体激光器提出更高的要求并不断地推动着半导体激光器的发展。（三） 、半导体激光器结构方面: 垂直腔面发射激光器是比较成熟的半导体激光器结构形式，它的谐振腔面与结平面平行，发射光束垂直于腔面，所以有源层厚度就决定了增益区长度，致使它们的单程增益比常规激光器小得多。为了克服这一缺点，目前就采用应变量子阱作有源区，同时采用异质结构布拉格反射器以提高腔内反射光的比重。垂直腔面发射激光器与端面发射激光器相比闽值电流很低(亚毫安或几十微安)，光束几何对称性好，是发散角很小的圆形光束，使得与光纤祸合的效率高，容易实现高密度二维面阵列器件。该类激光器是目前
25、乃至将来研究和发展的重点。1.1.2 半导体激光器光束整形的意义准直技术逐渐向着高精度的方向发展，基本上经过了如下几个过程：拉钢丝法：这种方法简单直观，但由于钢丝受重力自然下垂、钢丝的扭结或风吹引起的钢丝偏摆等容易产生误差。随着大型机械设备安装和测量精度要求越来越高，这种方法已经不能满足技术要求。传统的光学准直法：用自准直光管和准直望远镜进行直线度的测量，使准直精度得到很大保证，但是这种光学仪器存在着操作不方便以及瞄准和调焦误差等方面的缺点。同时，在较长的距离下，像质模糊，照度低。一般可靠的工作距离小于 30m。此外也存在空气的干扰。激光准直技术：自 60 年代激光问世以来，由于激光束具有高亮
26、度、准直性、单色性、方向性、相干性等特点，使激光技术得以迅速的发展，因此在许多方面获得了广泛的应用，如激光切割、加工、激光位移计、激光干涉测量等，是质量控制和自动化测量不可或缺的工具。激光技术的应用正在日益扩大之中，在机械工业上激光的应用日益普遍，究其用途，不外乎加工和测量两大类。作为测量用途的激光，其输出功率一般较加工用途的激光低，而且价格低廉，种类也较多。由于非对称光波导的影响，每个激光器输出的高斯光束在垂直于结平面方向（快轴）和平行于结平面方向（慢轴）出现较大的差别：1两个方向有较大的且不对称的发散角；2两个方向的束腰不在同一位置上，即存在固有像散；3远场为椭圆光斑。这样半导体激光器列阵
27、的输出光束必须要经过光学系统的整形之第 8 页 共 39 页后才能实际应用，包括对光束进行准直，像散校正及圆化处理等。所以，在几乎所有要求较高的应用领域中，半导体激光器的输出光束都必须通过特殊的光学系统进行整形或准直。以高密度全息存储技术为例，全息图是通过参考光束和携带信息的物光束在记录介质上发生干涉而形成的,但是激光束一般是高斯分布的,强度分布不均匀,直接影响存储的质量,同时由于光斑是圆形的,不能有效地利用存储空间。为了改善入射到记录介质上光斑的质量,提高存储密度,就需要我们将圆形高斯光束整形为方形均匀光斑。又比如在光纤通信领域中，光纤的数值孔径并不太高，为了提高半导体激光与光纤的耦合效率，
28、必须要对半导体激光束进行准直，特别是垂直结平面方向的较大发散角（半峰全宽约 40 度） ，只有经过大幅的压缩才可以获得较高的利用率。自从 1962 年第一台半导体激光器发明以来，历经 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。综上所述，半导体激光器在军事、工业、医学等方面有着重要的
29、应用前景。但在这些应用过程中，由于半导体激光器的波导结构特点使输出光束存在着诸如发散角很大、垂直结平面和平行结平面方向光斑尺寸不对称、光强分布不均匀等问题，在几乎所有要求较高的应用领域中，半导体激光器的输出光束都必须通过特殊的光学系统进行整形或准直。目前，己经有许多技术或方案被应用于实验室或生产领域并取得一定的效果，但是，所有这些技术或方案都存在这样或那样的问题，比如:有些技术整形效果很好但器件的加工却非常困难从而限制了该技术的推广应用;而有些技术，虽然加工容易、取材方便，但其整形效果却不太理想。所以，提出新的整形方案或对原有技术加以改进，研制出高效、简单、容易实现的整形系统是半导体激光束整形
30、技术发展的主要途径。1.2 本章小结本章介绍了进行“准直系统设计”选题的依据和研究意义。主要针对激光束的准直技术发展和国内外研究成果进行了概述性的介绍。第 9 页 共 39 页1.3 本论文内容安排第一章：绪论主要介绍准直系统研究的意义和内容，还有对半导体激光器的前景展望，并简单的介绍了国内外发展现状。第二章：介绍准直系统的用途和最主要的原理，对系统分为几个部分进行简单的介绍，光学设计的步骤，还有的就是激光扩束方面的知识。第三章：ZEMAX 仿真，通过商业用途软件 ZEMAX 进行光学系统设计，设置其参数，系统仿真。第四章：室外实验，通过和导师一起做室外实验，了解光束整形和光束整形的实验情况，
31、记录实验现象和数据，深入了解半导体激光器准直系统设计的意义。第五章：通过使用 solidworks 外形设计软件进行壳体设计，学习了解软件的基本用途和设计外壳的基本步骤，画出整形系统的外形结构。第六章：本课题设计的结论设计的系统以及对半导体激光器的未来发展展望。2 系统设计原理2.1 物理光学和几何光学本文以几何光学为基础，设计光学整形系统，该方法简单、直观，能够完全满足特定精度的要求，从而可以方便地用于非球面柱透镜的分析和设计。下面介绍一下物理光学和几何光学的基本原理2.1.1 物理光学一、半导体激光器辐射原理：半导体激光器是利用半导体中的电子跃迁引起光子受激发射而产生的光振荡器和光放大器的
32、总称，具体而言半导体激光器是在半导体 PN 结中，用注入载流子的方法实现粒子数反转，由电子和空穴复合所产生的受激光辐射在光学谐振腔内振荡并得到放大，最后产生相干激光输出的装置。半导体激光器的基本理论仍然第 10 页 共 39 页是半导体材料的受激辐射理论。图 2.1 LD 的基本结构（双异质结构激光器）给 LD 中的 p-n 结通以正向电流，电子注入到直接跃迁型半导体层(图 2.1 中部的 GaAS 层)激活层，大量的空穴注入到价带，从而形成粒子数反转。处于高能级导带上的电子跃迁至低能级价带上，与价带上的空穴产生复合。并以相当于两个能态差值的能量辐射出光子。复合辐射的光在平行的反射镜面(谐振腔
33、)之间往复振荡。为了有效地形成激光振荡，必须具备两个条件。一是实现粒子数反转，二是使辐射光在谐振腔内往复振荡。因此，半导体激光器往往做成图 2.1 所示的多层结构。激活层的禁带宽度比上下包覆层(图中的 ALGaAS 层)的禁带宽度小。此外，该结构中激活层的折射率比包覆层的折射率大。光往往沿折射率高的地方一传播，所以辐射光也集中在激活层中心传播。这一过程可以理解为，辐射光子一方面受折射率不同的激活层和包覆层界面全反射，一方面由于反射而在谐振胜中做往复振荡。因此，如图 2.1 所示的激光器结构，辐射光可以有效地沿谐振腔往复振荡。图 2.1 所示的简单激光器结构，其发射谱线未必是单一的，可能同时发射几条谱线。若要发射单一谱线的激光，必须改进激光器的结构。为了获得期望的发射谱线，可以采用与禁带宽度相适合的半导体。二、光的电磁理论基础（一） 、麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组揭示了时变电磁场的波动性，我们从麦克斯韦方程组出发，
