大功率半导体激光器陈列光束整形

论文摘要

由于大功率半导体激光器具有体积小、重量轻、寿命长、价格低廉、耦合效率高等特点,其广泛应用于材料加工、生物医学、国防以及作为固体激光器的泵浦源等。但是半导体激光器发出的光束在快慢轴方向上具有很大的不对称性：首先,快慢轴方向光束的束腰不在同一位置上；其次,快慢轴方向光束的发光尺寸相差很大；最后,快慢轴方向光束的发散角相差很大。这些不对称性严重的限制了半导体激光器的应用,为了更好地应用半导体激光器,必须对其光束进行整形。本文中整形系统的设计以一种具体的条形半导体激光器和面阵半导体激光器为例,先利用正交的柱面透镜将光束准直并消象散,然后利用平行玻璃板对光束有偏移作用的原理对准直后的光束进行整形,最后得到了光束质量均衡的矩形光斑。论文主要包含以下几个方面的内容：首先,分析了半导体激光光束整形的背景与意义,介绍了国内外现有的整形方法并总结出各种方法的优缺点。通过对现有的整形方法的比较,提出了利用平行玻璃板整形的方法。其次,介绍了半导体激光光束整形的基本理论,包括高斯光束的性质、半导体激光的空间模式、ABCD定律以及评价光束质量的方法。经过比较,确定本文的评价光束质量的标准为光参数积。再次,本文的重点是条形半导体激光的准直与整形,文中以海特光电的LDAC1-0808-040W型号半导体激光器为原型。准直器件由正交的柱面透镜阵列组成,通过参数计算及ZEMAX优化,得到了准直透镜的具体参数。通过准直系统后,快轴方向光束的发散角由68°（光强峰值的1/e2处）变为1.459mrad（光强峰值的1屈2处）,慢轴方向光束的发散角由17°（光强峰值的1/e2处）变为8.194mrad（光强峰值的1/e2处）,可近似视为平行光束。利用平行玻璃板对光束的平移作用,设计出由光束分割器件和光束重排器件组成的整形系统。通过ZEMAX软件仿真,经整形系统后,光束快慢轴方向的光参数积十分接近,达到了均衡光参数积以改善光束质量的目的。最后,在面阵半导体激光器整形的设计中,以海特光电的LDAC2-0808-320W型号面阵半导体激光器为原型,通过对条形半导体激光器光束准直及整形系统的扩展及改进得到面阵整形系统。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 半导体激光光束整形的背景与意义
• 1.1.1 半导体激光器的发展
• 1.1.2 半导体激光器的应用
• 1.1.3 制约半导体激光器应用的因素
• 1.2 现有整形方法概述
• 1.2.1 条形半导体激光器光束的整形
• 1.2.2 面阵半导体激光器光束的整形
• 1.3 本论文的内容安排
• 2 半导体激光光束整形的基本理论
• 2.1 半导体激光的空间模式
• 2.2 高斯光束的性质
• 2.2.1 基模高斯光束
• 2.2.2 高斯光束的q参数
• 2.2.3 高斯光束通过单透镜后发散角的变化
• 2.3 ABCD定律
• 2.4 评价光束质量的方法
• 3 条形半导体激光的整形
• 3.1 条形半导体激光器的结构及输出光束参数
• 3.1.1 条形半导体激光器的结构
• 3.1.2 条形半导体激光器输出光束的参数
• 3.2 条形半导体激光的准直与消象散
• 3.2.1 光束准直与消象散的基本理论
• 3.2.2 快轴准直镜的设计
• 3.2.3 慢轴准直镜的设计
• 3.2.4 ZEMAX仿真结果及分析
• 3.3 条形半导体激光的整形
• 3.3.1 条形半导体激光整形的基本理论
• 3.3.2 条形半导体激光光束整形方法的提出
• 3.3.3 整形元件的设计
• 3.3.4 ZEMAX仿真结果及分析
• 3.4 小结
• 4 面阵半导体激光的整形
• 4.1 面阵半导体激光器的结构及输出光束参数
• 4.1.1 面阵半导体激光器的结构
• 4.1.2 面阵半导体激光器输出光束的参数
• 4.2 面阵半导体激光的准直与消象散
• 4.2.1 准直镜的设计与象散的消除
• 4.2.2 ZEMAX仿真结果及分析
• 4.3 面阵半导体激光的整形
• 4.3.1 整形系统结构的选择
• 4.3.2 平行玻璃板整形
• 4.3.3 ZEMAX仿真结果及分析
• 4.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢