半导体激光器光束准直系统的设计.pdf

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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：

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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，高斯光束清华大学2012届毕业设计说明书Basedonthe980nmsemiconductorlaserbeamcollimationsystemdesignAbstract：

Owingtoitscompactness，lightness,andlowcost,semiconductorlaserplayanimportantroleascoherentsourceinvariousfieldsoftechnologysuchasmilitary,industryandmedicineuseandsoon.However,theoutputbeamqualityofsemiconductorlaserispoorBecauseofthewaveguidepropertiesoftheiractiveareas,semiconductorlasersgeneratelargedivergence-anglebeamswithallipticallyshapedintensityprofile.Andthebeamofsemiconductorlaserhasastigmatism.So,theoutputbeammustbecollimatedbyopticalsystemsinmostpracticalwork.Becauseofsimplestructureandeasyfabricating，thecylindricallenseshavebeenusedinmanypracticalapplicationsforbeamcollimatingofsemiconductorlasers.Inthispaper,Basedonthecylindricallensforsemiconductorlaserbeamcollimationtheoryanalysis,Designoforthogonalcylindricallensgroupasadesignmodel,The980nmsemiconductorlaserbeamcollimation,andusingtheZEMAXsoftwaretothedesignofeachpartofthesystemofcollimatingandshapingeffectssimulation.Keywords：

SemiconductorLaser,Beamcollimation,Cylindricallens,Gaussianbeam第I页共II页目录1绪论11.1选题目的及意义11.2980nm半导体激光器的发展及其应用11.2.1半导体激光器发展史11.2.2980nm半导体激光器的研究状况31.2.3980nm半导体激光器的主要应用41.3准直技术的意义与研究51.3.1半导体激光器光束准直的意义51.3.2准直技术的研究现状和发展方向61.4本论文主要工作71.5本章小结82半导体激光器92.1半导体激光器的基本原理92.1.1受激辐射92.1.2实现条件92.2半导体激光器的器件结构102.2.1异质结半导体激光器102.2.2量子阱半导体激光器112.2.3表面发射激光器132.3半导体激光器的优缺点132.4本章小结14清华大学2012届毕业设计说明书第II页共II页3半导体激光器的光束准直理论153.1半导体激光器的光束特性153.2高斯光束的基本理论153.3激光束准直系统介绍163.3.1圆柱透镜系统163.3.2非球面柱透镜准直系统173.3.3光纤耦合系统183.3.4棱镜组折反射光束整形203.3.5异型棱镜光束整形213.4本章小结224半导体激光器准直系统设计234.1准直系统设计方案234.2准直设计优化仿真274.2.1光学设计软件274.2.2ZEMAX软件仿真274.3本章小结305全文总结315.1主要工作及结论315.2工作展望31参考文献32致谢34第1页共34页11绪论绪论自从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。

1111选题目的及意义选题目的及意义近年来,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oo3010和oo6030，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。

1122980nm980nm半导体激光器半导体激光器的的发展发展及其及其应用应用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JohnVonNeumann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，PierreAigrain鼓励美国无线电公司的Pankove着手制造半导体激光器。

清华大学2012届毕业设计说明书第2页共34页1958年，PierreAigrain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清华大学2012届毕业设计说明书第3页共34页的信息型激光器，另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。

高功率半导体激光器在20世纪90年代取得了突破性进展，其标志是半导体激光器的输出功率显著增加。

1.2.2980nm半导体激光器的研究状况目前国际上研制、生产高功率980nm光纤光栅外腔半导体激光器的公司主要有：

Boekham、JDSU（SDL）、Lumics、AgilentTechnologies、Furukawa、Qphotonics、B1ueSkyResearch等。

主要技术途径有：

（1）产品一包括激光器、热敏电阻、制冷器和探测器。

其有源区采用InGaAs单量子阱，垒层采用GaAsP材料，激光器芯片采用MOCVD生长。

工作温度只能在C75C50-oo，在560mA电流下输出功率达到230mW、阈值电流70mA、中心波长974nm。

（2）产品二整个模块包括激光器、热敏电阻、制冷器和探测器。

有源区采用InGaAs单量子阱，激光器芯片采用MBE生长，利用湿法腐蚀形成脊型波导，其达到的主要技术指标是：

在250mA电流下输出功率达到lOOmW、阈值电流30mA、中心波长974nm、光谱宽度在-13dB下为0.2nm。

工作温度在C75C20-oo范围。

2001年TP1iska等人研制的980nm光纤光栅激光器在C10o下达到250mW的功率输出。

2003年9月报道了sMohrdiek等人获得980nm波长光纤光栅半导体激光器输出功率达到550mW。

2005年