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1、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： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： 2012年 6 月l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
2、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Based on the 980nm semiconductor laser beam collimation system designAbstract：Owing to its compactness，lightness,and low co
3、st,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 poorBecause of the waveguide properties of their active areas,semiconductor lasers generate
4、large 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 p
5、ractical 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
6、software to the design of each part of the system of collimating and shaping effects simulation.Key words：Semiconductor Laser,Beam collimation, Cylindrical lens, Gaussian beaml 目 录 1 绪论 11.1 选题目的及意义 11.2 980nm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 11.2.2 980nm半导体激光器的研究状况 31.2.3 980nm半导体激光器的主要应用41.3 准直技术的意义与
7、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143 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
8、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274.2.2 ZEMAX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 34l1 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
9、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。11 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和，从而形成像散，并在远场形成椭圆光斑,输出光
10、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。12 980nm半导体激光器的发展及其应用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，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，
11、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。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，
