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基于zcmax的半导体激光准直和整形设计

陆兵兵(合肥工业大学仪器科学与光电工程学院,安徽 合肥 230009)【摘 要】通过对半导体激光光束特性进行分析,依据费马原理和非球面方程理论,对半导体激光准直系统进行数学建模,设计了利用两片式非球面透镜准直系统,并在zemax软件中进行了仿真,最后完成指标,具有良好的效果。教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 Zemax;准直;非球面
0 引言半导体激光器因其体积小、重量轻、阈值电流低等特点已被广泛应用于材料加工、激光通信、信号处理、医疗、军事等相关领域。但由于半导体激光有源层在横向和侧向的尺寸不一样,导致出射光束发散角较大且不均匀,严重影响了能量的传播和后续的测量过程。一般常用的激光准直的方法有圆柱透镜法、非球面柱镜法、光纤耦合法、渐变折射率透镜法和液体透镜法等。本文主要介绍利用两片非球面柱透镜的方法进行激光准直,并在zamax软件中进行仿真,同时提出一种对点光源整形为线光源的方法。1 半导体激光光束特性半导体激光的发光原理是基于受激光发射,满足粒子数翻转和阈值条件,模式可分为空间模和纵模。因为在横向和侧向的尺寸不一样,导致的衍射效应叠加的结果也不一样,最后形成输出光束为椭圆高斯的光束。本文讨论的是小功率半导体激光器,因为它的发光面尺寸较小,近似用基模高斯分布来分析,输出光束的光强分布可用下面的公式给出:αx和αy分别为侧向和横向的远场发散角,这里定义在XZ和YZ坐标系下,Z轴代表光束传播方向,θx和θy为实际光束在侧向和横向的角度。一般情况下,激光器生产厂家给出的是半功率全角的参数,符号为θfwhm,这样可利用下面的公式求得αx和αy,如下:2 非球面准直透镜组设计2.1 非球面方程介绍非球面可有非球面方程来表示,设非球面的对称轴为Z轴,如果在成像光学中即为光轴,坐标原点设在顶点,则方程可写为:Z(r)为非球面的凹陷度;r为非球面的孔径半径,r2=x2+y2(若只考虑YOZ平面的话,x可以为零);c为曲率半径的倒数;k为圆锥系数。2.2 非球面方程参数确定 横向在光学设计中也可以理解为子午方向上,即YOZ平面,如下图所示。根据费马原理可得到表达式:式中dy代表光源距离透镜顶点的距离,ty代表透镜的厚度。将公式(4)按照公式(3)改写为:最后得到横向的非球面方程各参数为:设横向方向上出射光斑半径为y,横向远场发散角为αy,则根据图上关系易得:联立公式(5)、(9)得:在准直设计中会给出目标光斑大小y以及透镜折射率n,这样αy、y、n已知,计算得到,再代入式(6)~(8)中求出横向非球面透镜的参数。侧向的柱透镜的非球面方程系数可通过上面过程同样可以得到。3 软件仿真与整形系统介绍3.1 参数计算本文选用半导体激光的波长为650nm,子午方向上的半功率全角θy=28°,弧矢方向上的半功率全角θx=9°。最后算得两个柱透镜的非球面方程参数为:3.2 zemax仿真及结果对比在非序列模式下对光源建模可以用软件里面自带的Source Diode,然后设置它的子午方向和弧矢方向的发散角,两个柱透镜的建模可以使用软件里面集成的Biconic Lens,然后根据本章计算得到的参数输入到相应的位置中,再在透镜后的位置放置Detector面,最后对半导体激光光线进行追迹,用接收面积为60mm*60mm的接收面在距离光源50mm、100mm和200mm处分别采集光斑图样,并与没有加准直透镜的系统进行比较。如下图所示,其中(a)、(b)、(c)图分别表示的是在50mm、100mm、200mm的光斑大小对比,最后准直后的发散角近似计算得到为0.29°,准直性良好,满足设计要求。3.3 整形系统介绍点激光整形为线激光通常使用柱面镜、回转棱镜等,但是柱面镜产生的是高斯光束,中心区域较两边能量高,直线亮度不均匀,而本文采用的鲍威尔棱镜则不同,它可以产生光强均匀的线光。鲍威尔棱镜是一种光学划线棱镜,入射光斑入射到鲍威尔棱镜前面的非球面表面,然后光线偏折,最后在后表面折射出去,可以仿照建立非球面准直的思路,对鲍威尔棱镜在zemax软件中建模并进行仿真。4 结论本文从理论出发,设计了在横向和侧向上的两片式非球面透镜准直系统。在给定设计参数的情况下求出非球面系数,并通过zemax软件进行仿真,该方法建模简单,可通过编写软件后自动计算参数,最后达到准直的效果良好,有待加工出实际透镜后做进一步验证。教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献
[1]聂建华,王峻宁.基于ZEMAX的半导体激光准直镜设计方法研究[J].红外,2012,03:22-26.[2]何修军,涂小强,蒋孟衡,严真旭.半导体激光器光束的准直设计[J].光学仪器,2005,04:65-68.[责任编辑:刘展]
浏览次数:  更新时间:2015-09-23 19:34:18
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