基于ZEMAX的半導(dǎo)體激光器勻光設(shè)計(jì)

摘要：為了滿足半導(dǎo)體激光器能量均勻化的應(yīng)用需求，基于ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)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(yuǎn)系統(tǒng)的透鏡組合對(duì)單模半導(dǎo)體激光器進(jìn)行準(zhǔn)直，得到近似高斯圓光斑； 在推導(dǎo)了基模高斯強(qiáng)度分布的勻光投影半徑的基礎(chǔ)上，利用ZEMAX優(yōu)化得到兩個(gè)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(dá)96%以上的圓光斑。 同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)大功率半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊的能量勻化設(shè)計(jì)，滿足對(duì)能量勻化要求較高的應(yīng)用。 結(jié)果表明，該研究為半導(dǎo)體激光器能量均勻化的應(yīng)用提供了有效方法。

引言

半導(dǎo)體激光器(laserdiode，LD)由于具有電光轉(zhuǎn)換效率高輸出功率大體積小壽命長(zhǎng)可靠性好以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于照明醫(yī)療材料加工等諸多領(lǐng)域。 然而，半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量較差，遠(yuǎn)場(chǎng)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(yīng)用中，能量分布不均易導(dǎo)致材料局部溫度過(guò)高而影響材料的性能； 在光催化領(lǐng)域研究中，紫外激光光源因其一系列優(yōu)點(diǎn)受到重視，利用能量均勻分布的紫外半導(dǎo)體激光器光源能得到均勻的催化效果； 在半導(dǎo)體激光治療儀的廣泛應(yīng)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(dǎo)體激光器的很多應(yīng)用中，都對(duì)其光束提出了截面圓化和能量均勻化的要求為了滿足應(yīng)用需求，必須對(duì)半導(dǎo)體激光器輸出光束進(jìn)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(xué)元件、多光束疊加、復(fù)眼透鏡等等。 其中，非球面透鏡組的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)潔，容易實(shí)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(chǔ)上，通過(guò)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(guò)程較復(fù)雜，數(shù)值計(jì)算存在誤差，并且若要在較遠(yuǎn)位置實(shí)現(xiàn)勻光效果，需加擴(kuò)束系統(tǒng)。

作者利用ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)了一套光束整形勻光系統(tǒng)。 先實(shí)現(xiàn)單管單模LD的準(zhǔn)直和圓化，得到近似高斯能量分布的光束，進(jìn)而通過(guò)勻光透鏡組在某一位置實(shí)現(xiàn)能量的均勻化，整體設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)。

1 半導(dǎo)體激光器的光束特性

半導(dǎo)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?qū)е赂咚构馐臻g分布的不對(duì)稱性。 在垂直于結(jié)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(jié)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(dǎo)體管沿角度方向上強(qiáng)度分布可用下式表示：

......

4 結(jié)論

作者針對(duì)LD大發(fā)散角、橢圓高斯分布的特性，在ZEMAX中設(shè)計(jì)了一套光束整形勻光系統(tǒng)，并編寫(xiě)了相應(yīng)的宏語(yǔ)言程序，提高了優(yōu)化效率。 模擬結(jié)果表明，在非序列模式下，最佳位置的能量均勻度可達(dá)96%以上，且在較長(zhǎng)范圍內(nèi)均有勻光效果。 現(xiàn)今，非球面鏡的加工技術(shù)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(yīng)用，大大提高了非球面整形系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 該研究為能量均勻化的半導(dǎo)體激光器在激光照明、材料加工、醫(yī)療等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，提供了有效途徑。 隨著半導(dǎo)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(yīng)用前景。

審核編輯：湯梓紅