基于ZEMAX的半導體激光準直仿真設計

半導體激光器(laserdiode，LD)以其體積小效率高易于集成可高速直接調制等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于激光雷達激光測量激光照明激光制導激光打印以及高密度信息記錄與讀取等領(lǐng)域。但是半導體激光器發(fā)射的激光光束具有在垂直和平行于結平面兩個(gè)方向發(fā)散角不同光斑形狀不規則(如一般是橢圓型或長(cháng)條型)存在固有像散等缺點(diǎn)，這使得半導體激光3維掃描成像雷達的測程測距精度大大受影響，為了適用于遠距離空間激光測距，必須對半導體激光發(fā)散光束進(jìn)行準直作者主要采用橢圓面柱透鏡對905nm的半導體激光做準直整形處理，使得激光的發(fā)散角盡可能的小，接收物體表面的激光光斑盡可能的小，而且規則，從而達到提高測程和測距精度的目的。

1. 理論分析及計算

采用OSARM公司的型號為SPLLL90_3的半導體激光器查看使用說(shuō)明書(shū)得到:SPLLL90_3型號的半導體激光器在弧矢(平行于結平面)方向上的發(fā)散角θ//=15°，在子午(垂直于結平面)方向上的發(fā)散角θ⊥=30°，整個(gè)激光器的峰值功率為70W。

半導體激光器有源區只有約0.1μm～0.2μm的厚度，可以近似看作沿慢軸方向的線(xiàn)光源根據半導體激光束兩個(gè)方向的發(fā)散角不同的特點(diǎn)，采用兩個(gè)互相垂直的柱透鏡組分別對兩個(gè)方向的光束進(jìn)行準直，選用的兩個(gè)柱面鏡面型為橢圓面。

如圖1所示，半導體激光器發(fā)出的子午光線(xiàn)先經(jīng)過(guò)母線(xiàn)平行于激光束慢軸方向的柱透鏡后變成準平行光束（平行光束不可能實(shí)現）由于第2個(gè)柱透鏡M2對于子午光線(xiàn)的發(fā)散角無(wú)影響，可看作平板玻璃圖2顯示弧矢光線(xiàn)經(jīng)過(guò)第1個(gè)透鏡M1時(shí)，光束會(huì )發(fā)生偏移，但不會(huì )影響光束的發(fā)散角，在經(jīng)過(guò)第2個(gè)柱透鏡時(shí)，弧矢光也同樣得到準直，輸出準平行光。

設兩個(gè)柱透鏡的厚度分別為d和d'，柱透鏡的折射率為n，激光器到第1個(gè)柱透鏡的平面側的距離為L(cháng)，激光束的發(fā)散半角分別為θ1/2∥和θ1/2⊥。下面將激 光器看作一個(gè)點(diǎn)光源，運用幾何光路原理分別對子午 光線(xiàn)和弧矢光線(xiàn)進(jìn)行準直計算。

設兩個(gè)柱透鏡的厚度分別為d和d'，柱透鏡的折射率為n，激光器到第1個(gè)柱透鏡的平面側的距離為L(cháng)，激光束的發(fā)散半角分別為θ1/2∥和θ1/2⊥。下面將激 光器看作一個(gè)點(diǎn)光源，運用幾何光路原理分別對子午 光線(xiàn)和弧矢光線(xiàn)進(jìn)行準直計算θ1/2∥。

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子午方向和弧矢方向的光束基本集中在半徑為10mm的光斑范圍內，兩個(gè)方向的光束分布與標準高斯曲線(xiàn)分布基本吻合，且在10m處，接收面上激光總 功率為54W左右。

3. 結論 

用兩個(gè)相互垂直的橢圓面柱透鏡對波長(cháng)為905nm的半導體激光器進(jìn)行準直模擬設計。根據幾何光路原理推導了計算公式，并在MATLAB中反復計算，得到了準直系統的初始參量。然后在ZEMAX設計軟件中，將初始參量進(jìn)一步優(yōu)化，得到更好的結構。通過(guò)優(yōu)化，得到的激光束在弧矢和子午方向上的發(fā)散角分別為3.6mrad 和4.4mrad，10m處接收到的激光總功率為54W，激光能量大多集中在半徑為10mm的光斑范圍內，基本可以滿(mǎn)足3維掃描雷達的要求。同時(shí)證明了橢圓柱透鏡對激光準直有很好的作用。

鑒于篇幅，本文僅為節選（激光技術(shù)，第36卷 第3期）。

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