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大功率半导体激光光束准直技术研究

作　者: 潘飞
导　师: 曹银花
学　校: 北京工业大学
专　业: 光学工程
关键词: 大功率半导体激光器快轴和慢轴发散角光束准直 Zemax模拟
分类号: TN248.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

大功率半导体激光器具有体积小、重量轻、光电转换效率高、使用寿命长等特点,使其在工业及军事等领域具有广泛的应用前景。但是,由于目前大功率半导体激光器自身波导结构的限制,其输出光束在快轴和慢轴方向上是像散光束,在快轴方向发散角达到80°左右,在慢轴方向光束发散角也达到10°左右,这严重限制了大功率半导体激光器在许多领域的应用。本论文在查阅了国内外半导体激光光束准直技术发展现状的基础上,根据大功率半导体激光器光束特性和现有的激光光束质量评价方法,针对半导体激光一维阵列,采用非球面平凸柱透镜和球面平凸柱透镜阵列分别准直光束快轴和慢轴发散角。采用高斯光束q参数结合ABCD矩阵进行了高斯光束的准直分析,根据几何光学成像条件,推导了快轴准直镜的初始结构,得到了快轴光束准直后发散角1.7 mrad的结果,分析了慢轴准直镜的限制条件,采用zemax优化,获得了光束准直后发散角1.12 mrad的准直镜参数。同时,开展了非球面平凸柱透镜准直半导体激光一维阵列快轴光束发散角的实验研究,实验获得了准直后快轴光束发散角4.7 mrad的结果,为后续半导体激光光束准直镜的装配摸索了工艺实现过程和工艺参数。根据工程应用需要:实现半导体激光器单个发光单元在0.5 ~ 5 m范围内快轴和慢轴光束光斑均小于5 mm的指标。鉴于微透镜准直需要高精度安装和检测设备,开展了传统球面透镜组准直单个发光单元快轴和慢轴光束的实验研究。采用3片球面平凸柱透镜实现光束快轴准直和采用1片球面平凸柱透镜和光阑实现慢轴光束准直。最后,论文分析了准直镜安装位置精度、激光波长、工作温度和透镜材料等诸多因素对准直效果的影响,为下一步半导体激光快轴准直镜的设计、制造、装调奠定了基础。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-19
  1.1 研究背景  9-10
  1.2 研究现状  10-17
    1.2.1 传统宏观透镜准直  12-13
    1.2.2 圆柱透镜准直  13-14
    1.2.3 自聚焦透镜准直  14-15
    1.2.4 二元光学元件准直  15-16
    1.2.5 非球面柱透镜准直  16-17
  1.3 本论文的主要工作  17-19
第2章半导体激光器特性  19-27
  2.1 半导体激光器的结构  19-20
  2.2 半导体激光器的光束特点  20-23
  2.3 激光光束质量评价参数  23-25
    2.3.1 聚焦光斑尺寸  23
    2.3.2 远场发散角  23-24
    2.3.3 瑞利长度  24
    2.3.4 光束参数积  24-25
    2.3.5 M~2 因子  25
  2.4 本章小结  25-27
第3章半导体激光光束准直镜的设计  27-45
  3.1 准直镜的设计思想  27-29
  3.2 快轴准直镜  29-34
    3.2.1 快轴准直镜的设计分析  29-32
    3.2.2 Matlab 数值计算  32-33
    3.2.3 三维模型建立  33-34
  3.3 慢轴准直镜  34-36
  3.4 准直镜的优化设计  36-44
    3.4.1 初始结构的模拟  36-38
    3.4.2 优化参数的设定  38-40
    3.4.3 优化非球面参数  40-44
  3.5 本章小结  44-45
第4章半导体激光光束准直实验及分析  45-71
  4.1 非球面镜快轴光束准直实验  45-52
  4.2 传统宏观透镜方式光束准直实验  52-57
  4.3 影响快轴准直因素的分析  57-70
    4.3.1 准直镜的安装位置影响  58-61
    4.3.2 Smile 效应的影响  61-63
    4.3.3 波长的影响  63-66
    4.3.4 温度的影响  66-68
    4.3.5 准直镜材料的影响  68-70
  4.4 本章小结  70-71
结论  71-73
参考文献  73-77
攻读硕士学位期间的研究成果  77-78
致谢  78

大功率半导体激光光束准直技术研究

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