基于Zemax的半导体激光准直和整形设计【摘要】通过对半导体激光光束特性进行分析，依据费马原理和非 球面方程理论，对半导体激光准直系统进行数学建模，设计了利用两片式 非球血透镜准直系统，并在zemax软件中进行了仿真，最后完成指标，具 有良好的效果关键词】Zemax；准直；非球面0引言半导体激光器因其体积小、重量轻、阈值电流低等特点已被广泛应用 于材料加工、激光通信、信号处理、医疗、军事等相关领域但由于半导 体激光有源层在横向和侧向的尺寸不一样，导致出射光朿发散角较大且不 均匀，严重影响了能量的传播和后续的测量过程一般常用的激光准直的 方法有圆柱透镜法、非球面柱镜法、光纤耦合法、渐变折射率透镜法和液 体透镜法等本文主要介绍利用两片非球血柱透镜的方法进行激光准直， 并在zamax软件中进行仿真，同时提出一种对点光源整形为线光源的方法1半导体激光光朿特性半导体激光的发光原理是基于受激光发射，满足粒子数翻转和阈值条 件，模式可分为空间模和纵模因为在横向和侧向的尺寸不一样，导致的 衍射效应叠加的结果也不一样，最后形成输出光束为椭圆高斯的光束本 文讨论的是小功率半导体激光器，因为它的发光面尺寸较小，近似用基模 高斯分布来分析，输岀光朿的光强分布可用下面的公式给出:2非球面准直透镜组设计2.1非球面方程介绍Z (r)为非球面的凹陷度；r为非球面的孔径半径，r2二x2+y2 (若只 考虑YOZ平面的话，x可以为零)；c为曲率半径的倒数；k为圆锥系数。
2.2非球血方程参数确定横向在光学设计中也可以理解为子午方向上，即YOZ平面，如下图所 示在准直设计中会给出目标光斑大小y以及透镜折射率n,这样？琢■、 y、n己知，计算得到，再代入式(6)〜(8)中求出横向非球面透镜的参 数侧向的柱透镜的非球面方程系数可通过上面过程同样可以得到3软件仿真与整形系统介绍3.1参数计算3. 2 zemax仿真及结果对比在非序列模式下对光源建模可以用软件里面自带的Source Diode,然 后设置它的子午方向和弧矢方向的发散角，两个柱透镜的建模可以使用软 件里面集成的Biconic Lens,然后根据本章计算得到的参数输入到相应的 位置中，再在透镜后的位置放置Detector面，最后对半导体激光光线进 彳亍追迹，用接收面积为60mm*60mm的接收面在距离光源50mm> 100mm和 200mm处分别采集光斑图样，并与没有加准直透镜的系统进行比较如下 图所示，其中(a)、(b)、(c)图分别表示的是在50mm> 100mm> 200mm的 光斑大小对比，最后准直后的发散角近似计算得到为0. 29° ,准直性良好, 满足设计要求3. 3整形系统介绍点激光整形为线激光通常使用柱面镜、回转棱镜等，但是柱面镜产生 的是高斯光束，中心区域较两边能量高，直线亮度不均匀，而本文采用的 鲍威尔棱镜则不同，它可以产生光强均匀的线光。
鲍威尔棱镜是一种光学 划线棱镜，入射光斑入射到鲍威尔棱镜前面的非球面表囱，然后光线偏折， 最后在后表面折射出去，可以仿照建立非球面准直的思路，对鲍威尔棱镜 在zemax软件中建模并进行仿真4结论木文从理论出发，设计了在横向和侧向上的两片式非球面透镜准直系 统在给定设计参数的情况下求出非球面系数，并通过zemax软件进行仿 真，该方法建模简单，可通过编写软件后自动计算参数，最后达到准直的 效果良好，有待加工出实际透镜后做进一步验证参考文献】[1]聂建华，王峻宁•基于ZEMAX的半导体激光准直镜设计方法研究[J]・ 红外，2012, 03： 22-26.⑵何修军，涂小强，蒋孟衡，严真旭•半导体激光器光束的准直设计[J] •光学仪器，2005, 04： 65-68.[责任编辑：刘展]。