基于ZEMAX的半導體激光器勻光設計

摘要：為了滿足半導體激光器能量均勻化的應用需求，基于ZEMAX光學設計軟件設計了一套光束整形勻光系統(tǒng)。采用非球面鏡與倒置柱面鏡望遠系統(tǒng)的透鏡組合對單模半導體激光器進行準直，得到近似高斯圓光斑；在推導了基模高斯強度分布的勻光投影半徑的基礎上，利用ZEMAX優(yōu)化得到兩個非球面鏡組成的勻光透鏡組，在一定范圍內(nèi)可獲得能量均勻度達96%以上的圓光斑。同時，實現(xiàn)了一個大功率半導體激光器光纖耦合模塊的能量勻化設計，滿足對能量勻化要求較高的應用。結果表明，該研究為半導體激光器能量均勻化的應用提供了有效方法。

關鍵詞：光學設計；光束勻化；ZEMAX；半導體激光器

引言

半導體激光器(laserdiode，LD)由于具有電光轉換效率高輸出功率大體積小壽命長可靠性好以及價格低廉等優(yōu)點，被廣泛應用于照明醫(yī)療材料加工等諸多領域。然而，半導體激光器光束質(zhì)量較差，遠場光斑分布呈橢圓高斯型，且存在本征象散在激光焊接熔覆及表面熱處理等應用中，能量分布不均易導致材料局部溫度過高而影響材料的性能；在光催化領域研究中，紫外激光光源因其一系列優(yōu)點受到重視，利用能量均勻分布的紫外半導體激光器光源能得到均勻的催化效果；在半導體激光治療儀的廣泛應用中，輸出能量均勻的光斑可使激光照射的有效治療面積增大，治療效果更顯著在半導體激光器的很多應用中，都對其光束提出了截面圓化和能量均勻化的要求為了滿足應用需求，必須對半導體激光器輸出光束進行整形勻化的處理。

目前，高斯光束整形成能量均勻分布的平頂光束方法主要有非球面透鏡組、二元光學元件、多光束疊加、復眼透鏡等等。其中，非球面透鏡組的設計結構最為簡潔，容易實現(xiàn)，光能損失小。FAN和FENG等人在FＲIEDEN等人提出的將高斯光束利用非球面透鏡組整形成平頂光束的理論基礎上，通過數(shù)值分析方法得到非球面鏡的面型參量。但是，數(shù)值模擬過程較復雜，數(shù)值計算存在誤差，并且若要在較遠位置實現(xiàn)勻光效果，需加擴束系統(tǒng)。

作者利用ZEMAX光學設計軟件設計了一套光束整形勻光系統(tǒng)。先實現(xiàn)單管單模LD的準直和圓化，得到近似高斯能量分布的光束，進而通過勻光透鏡組在某一位置實現(xiàn)能量的均勻化，整體設計簡單，易實現(xiàn)。

1 半導體激光器的光束特性

半導體激光器的有源區(qū)在豎直方向和水平方向的孔徑約束大小不一樣，由于衍射等原因導致高斯光束空間分布的不對稱性。在垂直于結平面(快軸)的方向上，發(fā)散角一般在20°～40°，光束質(zhì)量接近衍射極限，為基橫模高斯分布;在平行于結平面(慢軸)的方向上，發(fā)散角一般在8°～15°，光束質(zhì)量很差，為多模厄米-高斯分布。

在ZEMAX中，半導體管沿角度方向上強度分布可用下式表示：

......

4 結論

作者針對LD大發(fā)散角、橢圓高斯分布的特性，在ZEMAX中設計了一套光束整形勻光系統(tǒng)，并編寫了相應的宏語言程序，提高了優(yōu)化效率。模擬結果表明，在非序列模式下，最佳位置的能量均勻度可達96%以上，且在較長范圍內(nèi)均有勻光效果�，F(xiàn)今，非球面鏡的加工技術已經(jīng)比較成熟，CNC拋光非球面透鏡和模壓玻璃非球面透鏡均得到廣泛應用，大大提高了非球面整形系統(tǒng)的實際應用價值。該研究為能量均勻化的半導體激光器在激光照明、材料加工、醫(yī)療等領域的廣泛應用，提供了有效途徑。隨著半導體激光器光束質(zhì)量及功率的不斷提高，該勻光系統(tǒng)有廣闊的應用前景。

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