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单片式半导体激光光束控制的研究

作　者: 沈诗哲
导　师: 张全
学　校: 浙江大学
专　业: 光学工程
关键词: 半导体激光器光束质量控制光束整形光纤藕合光束线产生器微透镜光纤
分类号: TN248
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

随着光电子器件的迅速发展，特别是半导体器件性能的不断提高，使半导体激光器(Semiconductor Laser)的用途也越来越广：高速光通信、固体激光泵浦、激光加工、激光照排、激光印刷、医疗领域等等。而边缘发射半导体激光器(Edge-Emitting Laser Diode)的光束质量成为了制约半导体激光器应用的主要瓶颈。如何提高半导体激光器的光束质量成为了人们越来越关心的问题。改善半导体激光光束出射质量的技术可以分为两类。一种是通过改变半导体激光器本身或者外加谐振腔等方法，内在地改变出射光束质量。而另外一种更加常见和简便的方法是通过对半导体激光器外加折射、反射、衍射等光学系统，外在地改变其出射光束质量。本文主要集中讨论利用外加不同光学系统的方法，改善端面发射半导体激光器的出射光束质量。这种方法的主要优点在于，不对半导体激光器本身做任何改变，使之更容易施行；并且成本相对较低。在半导体激光器制造技术没有得到重大突破的今天，这种方法将是首选。本文主要讨论的问题有两个：一是半导体激光器的光束整形。根据不同的需要，通过外加光学系统改变半导体激光出射光束的远场分布。本文中讨论的是通过光学系统，将半导体激光光束的远场分布变换为均匀直线。这项技术在激光加工、激光照排、激光印刷等领域有着重要的应用。二是半导体激光器的光纤耦合。在激光加工、固体激光器泵浦以及一些医疗领域等，需要通过光纤输出的激光。优点在于光束质量好、可以任意改变光束的出射方向和位置。本文主要讨论大功率单片式宽发射域半导体激光器的多模光纤微透镜耦合。通过这项技术，可以有效提高光纤输出光束的光亮度。本文正文部分共分为四章。第一章简要介绍了半导体激光器的发展、分类以及特性。第二章讨论并归纳了在激光光束控制领域前人的工作和成果。第三章详细讨论了一种由本课题组提出的新型均匀半导体激光光束线产生器；并利用计算机辅助模拟验证了这种光束线产生器的性能。第四章详细通论了利用光纤微透镜耦合大功率宽发射域半导体激光器出射光束；同样利用计算机辅助模拟了耦合过程，并通过实验验证了耦合系统的可行性。实验中得到的最高耦合效率为87.06％，相比于无光纤微透镜的同样激光器与同样多模光纤耦合的最高耦合效率(39.41％)提高一倍。

全文目录

中文摘要  2-4
英文摘要  4-8
第一章绪论  8-14
  §1．1 半导体激光器发展回顾  8-9
  §1．2 半导体激光器分类  9-11
  §1．3 半导体激光光束特性  11-13
  §1．4 本课题研究内容及完成主要工作  13-14
第二章半导体激光光束控制  14-46
  §2．1 半导体激光光束控制概述  14
  §2．2 半导体激光器光束整形  14-29
    §2．2．1 光束准直  15-18
    §2．2．2 光束能量的重新分布  18-29
  §2．3 半导体激光光纤耦合  29-40
    §2．3．1 半导体激光器单模光纤耦合  30-39
    §2．3．2 大功率多模及阵列半导体激光器多模光纤耦合  39-40
  §2．4 大功率阵列半导体激光器光束准直  40-46
    §2．4．1 微透镜阵列准直耦合  40-41
    §2．4．2 微阶梯镜整形  41-43
    §2．4．3 多次反射光束整形器整形  43-46
第三章新型半导体激光光束线产生器  46-64
  §3．1 系统工作原理  47-52
    §3．1．1 单模半导体激光器输出光场特性  47
    §3．1．2 快轴光场分割叠加  47-49
    §3．1．3 慢轴光场准直与激光束ABCD定律  49-50
    §3．1．4 实现光场快轴分割叠加和慢轴准直的光学器件  50-52
  §3．2 计算机辅助模拟分析  52-57
    §3．2．1 模拟原理及所应用工具软件  52-53
    §3．2．2 模拟结果  53-57
    §3．2．3 分析小结  57
  §3．3 系统改进  57-62
    §3．3．1 改进型光束线产生器理论分析  57-58
    §3．3．2 实现三光束叠加的器件  58-61
    §3．3．3 改进系统与原系统的比较  61-62
  §3．4 总结与展望  62-64
第四章大功率宽发射域半导体激光光束的多模光纤微透镜耦合  64-85
  §4．1 大功率宽发射域半导体激光器光束特性及数学模拟  64-67
    §4．1．1 大功率宽发射域半导体激光器光束特性  64-65
    §4．1．2 大功率宽发射域半导体激光器光束数学模拟  65-67
  §4．2 大功率宽发射域半导体激光器与柱状楔形多模光纤微透镜耦合  67-77
    §4．2．1 柱状楔形多模光纤微透镜以及耦合系统  68-69
    §4．2．2 模拟结果及分析  69-72
    §4．2．3 耦合实验验证及小结  72-77
  §4．3 大功率宽发射域半导体激光器与柱状楔形热膨胀芯径多模光纤微透镜耦合  77-83
    §4．3．1 热膨胀芯径光纤  77-78
    §4．3．2 柱状楔形热膨胀芯径多模光纤微透镜及耦合系统分析  78-79
    §4．3．3 模拟结果及分析  79-83
  §4．4 总结与展望  83-85
参考文献  85-90
硕士在读期间发表论文及申请专利  90-91
致谢  91

单片式半导体激光光束控制的研究

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