半导体激光器光束准直系统的设计.pdf

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 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

2、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 Based on the 980nm semiconductor laser beam collimation system design Abstract：Owing to its co

3、mpactness，lightness,and low cost,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,

4、semiconductor lasers generate 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 l

5、enses have been used in many practical 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 colli

6、mation,and using the ZEMAX 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 beam 第 I 页 共 II 页 目 录 1 绪论 1 1.1 选题目的及意义 1 1.2 980nm 半导体激光器的发展及其应用 1 1.2.1 半导体激光器发展史 1 1.2.2 980nm半导体激光器

7、的研究状况 3 1.2.3 980nm 半导体激光器的主要应用4 1.3 准直技术的意义与研究 5 1.3.1 半导体激光器光束准直的意义 5 1.3.2 准直技术的研究现状和发展方向 6 1.4 本论文主要工作7 1.5 本章小结8 2 半导体激光器9 2.1 半导体激光器的基本原理9 2.1.1 受激辐射9 2.1.2 实现条件9 2.2 半导体激光器的器件结构10 2.2.1 异质结半导体激光器10 2.2.2 量子阱半导体激光器11 2.2.3 表面发射激光器13 2.3 半导体激光器的优缺点13 2.4 本章小结14 清华大学 2012 届毕业设计说明书 第 II 页 共 II 页

8、3 半导体激光器的光束准直理论15 3.1 半导体激光器的光束特性15 3.2 高斯光束的基本理论15 3.3 激光束准直系统介绍16 3.3.1 圆柱透镜系统16 3.3.2 非球面柱透镜准直系统17 3.3.3 光纤耦合系统18 3.3.4 棱镜组折反射光束整形20 3.3.5 异型棱镜光束整形21 3.4 本章小结22 4 半导体激光器准直系统设计23 4.1 准直系统设计方案23 4.2 准直设计优化仿真27 4.2.1 光学设计软件27 4.2.2 ZEMAX 软件仿真27 4.3 本章小结30 5 全文总结31 5.1 主要工作及结论31 5.2 工作展望31 参考文献32 致谢

9、34 第 1 页 共 34 页 1 1 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。1 11 1 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

10、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。1 12 2

11、 980nm980nm 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 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

12、年，Pierre Aigrain 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，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

13、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

14、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

15、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。1.2.2 980nm 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(SD

16、L)、Lumics、AgilentTechnologies、Furukawa、Qphotonics、B1ueSky Research 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25

17、0mA 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 TPliska 等人报道了他获得 980nm 波长光纤光栅半导体激光器输出功率800mW 的功率输出。2006 年德国光器件制造商 Lumics 推出改进型的 980nm 光纤光栅半导体激光器LU97

18、5M300。该激光器采用高精确度的监测二极管用来监测芯片和光纤的耦合效率，适合于那些没有前端光线抽头的 EDFA 应用。该器件采用 14 针蝶形低截面封装(30X15 2X78m)，内置致冷器，典型输出功率 330mW，配合康宁 HI 1060 单模光纤和 FBG。并推出 LU0980M200：1lO200mW 功率输出，LU0980M330：210330mW 功率输出。2007 年 3 月 19 吕，美国 JDSU 公司推出两款高性能 980nm 半导体激光器，主要应用到 EOFA 模块上。其中新的 3000 系列激光器可以产生 660mW 的光功率。另外一款 2945清华大学 2012 届

19、毕业设计说明书 第 4 页 共 34 页 系列 980nm 半导体激光器的功耗相比以往产品降低了 20，该激光器可以产生 400mW光功率，内部工作温度控制在 45 摄氏度。JDSU 同时还透露其 980nm 导体激光器故障几率低于每十亿小时五次故障(5FIT)。并且 JDSU 推出新一代芯片具有低的闽值电流23mA；高的转换效率 09WA；高的 kinkfree 功率 l1W 和更优的远场发射角垂直发射o16。布拉格光栅锁定波长的激光器 kinkfree 功率达到 700mW 以上。由于国内对功率型半导体激光器的需求增加，国内从 2000 年初就开始了 980nm 泵浦源半导体激光器的研制工

20、作，主要研制单位是中科院半导体研究所和武汉邮电科学研究院。他们两个单位合作完成了一个国家“863项目。采取的技术途径与 Bookham 公司的方案基本一致。达到的技术指标是器件的激射波长：980nm5nm，尾纤输出功率约 80mW，寿命约 50000 小时。另外现在深圳飞通光子公司提供产品出售。但是只是组装，没有管芯生产能力。达到的技术水平是，激射波长：972nm 至 985nm，阈制值电流30mA，在 400mA 下尾纤输出功率大于 1lOmW。工作温度只能在C75C50-oo。采取的技术途径也是采用楔型光纤透镜直接耦合。长春理工大学的高功率半导体激光国家重点实验室近几年开始从管芯制作到器件

21、封装进行 980nm 泵浦源半导体激光器研究。我们采用的方案也是国际流行的方案，只是我们拟采用短腔长管芯，降低器件的阈值电流密度，提高器件的斜率效率，降低器件的工作电流，达到小功耗的目的。但由于国内工业条件和加工技术以及相关器件的制备方面还与国外有明显的差距，在寿命和可靠性方面还有很大的不足，目前达到的 980nm 光纤光栅半导体激光器的输出功率为几十毫瓦量级。所以研制该器件替代进口具有重大的实际意义。1.2.3 980nm 半导体激光器的主要应用 980nm 半导体激光器具有更低的阂值电流密度和高的微分量子效率，功耗小；温度依赖关系弱；对掺铒光纤具有高的泵浦效率；噪音系数低等特点，因此，它是

22、掺铒光纤放大器(Erbium DopedFiberAmplifier，简称 EDFA)的最理想泵浦源。EDFA 将在实现新一代超高速、超大容量、超强功能全光光通讯网络中起非常重要的作用。由于掺铒光纤放大器其全光纤特点，便于和光纤通讯系统连接，使其成为光放大器的主选器件。它在军事上也有许多应用，如激光测距、激光干扰、目标定位、目标跟踪、激光制导、浅海探障、甚至激光杀伤与破坏等，固体激光器技术已经成为每个国家提高其国防清华大学 2012 届毕业设计说明书 第 5 页 共 34 页 科技水平急需解决的关键技术之一，而半导体激光器泵谱是固体激光器发展的一个重要方向，它与传统的灯泵固体激光器相比，具有高

23、的电光转换效率，易于调制，功耗低、体积小、重量轻、安全性好、寿命，同时具有结构更加紧凑、可靠性更高、方便和全天候等的优点，可以满足大多数军事装备对固体激光器的要求。高速印刷是大功率半导体激光器另一个有较大发展空间的应用领域，传统的印刷主要采用卤素灯光源，不仅不利于环境保护，也不适用现代的高分辨率图象的印刷，半导体激光器由于其价格及性能和可靠性方面的诸多优势，使得其会在传统的印刷业得到广泛应用。该类高功率半导体激光器可以满足大面积高分辨率图象的高速印刷，同时降低了印刷设备对光学系统及机械系统的精度要求。随着高功率半导体激光器制备技术的不断提高和价格的下降，材料处理与加工必然会成为大功率半导体激光

24、器的最大应用市场。光纤耦合输出的高功率半导体激光器可应用于微加工、聚合物粘合、切割及烧结，例如：激光塑料焊接、激光金属焊接、激光熔覆与合金化、激光打标、激光切割等。在医疗领域，半导体激光器作为热源主要应用于脱毛及外科中的组织切除与烧蚀手术。在眼外科方面，半导体激光器可用于治疗属于当今世界头号致盲病因的青光眼。内窥镜输出方式已经成为医疗用半导体激光器的普遍功率输出方式，对于某些特定工作波长的高功率半导体激光器，光动力学治疗己经成为癌症治疗的一种重要手段，这是因为有多种化学成分在 630-770nm 波段有光敏行为，利用肿瘤细胞中存在的这些化学成分，采用激光激发以后可以有选择性地杀伤肿瘤细胞2。另

25、外，半导体激光器可用于磁共振成像(MRI)以诊断肺上病变。并且也证明，980nm 波长比 800nm 波长更容易被水分子吸收，组织穿透深度小，能量更集中，对周围组织损伤小，还具有很好的凝固止血效果。因此高功率 980nm 半导体激光器可被用于医疗上的激光手术刀。1 13 3 准直技术准直技术的意义与研究的意义与研究 1.3.1 半导体激光器光束准直的意义 近年来由于多个领域对高功率的需求，出现了输出功率较高的半导体激光器列阵，由多个激光发射单元构成，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和平行于结平面方向出现较大差别：（1）两个方向有较大的且不对称的发散角；（2）两

26、个方向的束腰不在同一位置上，即存在固有象散；清华大学 2012 届毕业设计说明书 第 6 页 共 34 页（3）远场为椭圆光斑。因此半导体激光器列阵的输出光束必须要经过光学系统的准直后才能实际应用。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技术发展的主要途径。1.3.2 准直技术的研究现状和

27、发展方向 激光束准直系统是光电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。下面简要介绍国内外在准直技术研究中所采用的有代表性的方法。国外方面：2000 年，德国耶拿激光二极管公司对一种改进的面阵激光整形系统进行了研究。同年，美国能源部 Sandia 国家实验室也进行了激光束整形技术进行了理论研究。2002 年至 2003 年，Alabama 大学对激光束整形研究进行研究。美国 Florida，Orlando大学光学研究中心对高斯圆光束整形进行了研究。2005 年，德国 Fraunhofer 应用光学与

28、精密机械研究中心对半导体激光高亮度光纤耦合进行了研究。国内方面：2003 年，电子科技大学物理电子学院光通信技术研究室对“半导体激光器的衍射准直透镜的优化设计”进行了研究，该文针对国内外现有半导体激光器准直器件的缺点，提出了一种用于半导体激光器准直的相位型二元菲涅耳衍射透镜的优化方法，可提高衍射透镜的衍射效率，增大衍射透镜的数值孔径。2004 年，重庆师范学院对“圆柱透镜对半导体激光束准直性能的改进”进行了理论研究，仔细分析了半导体激光器快轴方向发散光束通过圆柱透镜后的准直特性、光强分布和光能转换效率与圆柱透镜的半径、介质折射率、介质损耗、安装距离等可调参数以及界面反射的关系。同年，西安理工大

29、学对“大气激光通信准直光学系统”进行了设计研究，通过分析光能耦合效率与数值孔径的关系，总结出规律用来确定光通信准直系统清华大学 2012 届毕业设计说明书 第 7 页 共 34 页 的数值孔径。中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室，对大功率半导体激光器阵列光束光纤耦合进行了研究，给出了激光束准直、整形、聚焦及耦合的高功率半导体的光纤耦合方法，其耦合效率大于 53%。2005 年，北京理工大学信息科学技术学院，对“光纤微透镜用于阵列半导体激光器快轴准直研究”进行了分析，以此为基础，研制了耦合光学系统，采用直径m200柱面透镜准直后，阵列半导体激光器快轴方向发散角可减小到o42.

30、0，系统准直耦合效率达到 89%以上。同年，西安电子科技大学对“大功率半导体激光整形技术”进行了研究。设计了一种新型的 stack 型半导体激光束整形器件。该器件对光束发散进行压缩，得到7mm7mm 的正方形均匀光斑，并且光强起伏小于 5%，在此范围内光能量占总的辐射能量的 77%。2006 年，西安电子科技大学物理学院，对“半导体激光器远轴光束的准直特性”进行了研究，根据瑞利索末菲衍射公式，利用稳相法得出了半导体激光器远轴光束经过透镜准直后的场分布解析表达式。同年，西安电子科技大学物理学院还对“双半圆柱透镜准直半导体激光光束”进行了研究，理论上可将激光束快轴方向发散角压缩到 0.1mrad的

31、量级。清华大学精密仪器与机械学系光子与电子技术国家重点实验室，研究了“用于半导体激光器的棱镜组光束整形方法”,随着半导体激光器应用的日益广泛，半导体激光的光束质量在二维方向极不均衡的特点限制了它的应用范围。采用一种等腰直角棱镜组的整形方法，可实现二维方向的光束质量均匀化3。实验中整形后快慢轴的光束质量比较接近，整形效率达到 90%。经过整形的半导体激光器可以作为高功率固体激光器和光纤激光器的抽运源使用。1 14 4 本论文主要工作本论文主要工作 本论文利用几何光学的知识，基于光线光学理论和利用柱透镜对半导体激光器光束准直的理论分析，运用 ZEMAX 软件进行准直系统设计。围绕上述主题思想，本文

32、的具体章节安排如下：第一章：对本论文的选题目的及研究意义做简单介绍。第二章：主要介绍半导体激光器的基本工作原理及器件构造。第三章：主要分析半导体激光器的光束准直理论。第四章：运用几何光学基本定理针对半导体激光器准直系统进行优化仿真设计，对清华大学 2012 届毕业设计说明书 第 8 页 共 34 页 其进行理论分析和数值模拟。第五章：全文总结。概述本文的主要工作，并对下一步的发展提出建议。1 15 5 本章小结本章小结 本章介绍了进行“基于 980nm 半导体激光器光束准直系统的设计”选题的目的和研究意义。并简单介绍了 980nm 半导体激光器目前国内外的发展现状和应用，主要针对激光束的准直技

33、术发展和国内外研究成果进行了概述性的介绍。清华大学 2012 届毕业设计说明书 第 9 页 共 34 页 2 2 半导体激光器半导体激光器 2 21 1 半导体激光器半导体激光器的基本的基本原理原理 半导体激光器是利用半导体中的电子光跃迁引起光子受激辐射而产生的光振荡器和光放大器的总称。2.1.1 受激辐射 在物质的原子中，存在许多能级，最低能级1E称为基态，能量比基态大的能级 Ei(i=2,3,4)称为激发态。在正常状态下，电子处于低能级1E，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级2E上，这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴。在高能级 E2 的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级1E上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射。电子在1E和2E两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件：1212hfE-E （2.1）其