半导体激光器光学系统设计(精)
44瓦超高功率808nm半导体激光器设计与制作
44瓦超高功率808 nm半导体激光器设计与制作仇伯仓，胡海，何晋国深圳清华大学研究院深圳瑞波光电子有限公司1. 引言半导体激光器采用III-V化合物为其有源介质，通常通过电注入，在有源区通过电子与空穴复合将注入的电能量转换为光子能量。
与固态或气体激光相比，半导体激光具有十分显著的特点：1）能量转换效率高，比如典型的808 nm高功率激光的最高电光转换效率可以高达65%以上[1]，与之成为鲜明对照的是，CO2气体激光的能量转换效率仅有10%，而采用传统灯光泵浦的固态激光的能量转换效率更低, 只有1%左右；2）体积小。
一个出射功率超过10 W 的半导体激光芯片尺寸大约为mm3, 而一台固态激光更有可能占据实验室的整整一张工作台；3）可靠性高，平均寿命估计可以长达数十万小时[2]；4）价格低廉。
半导体激光也同样遵从集成电路工业中的摩尔定律，即性能指标随时间以指数上升的趋势改善，而价格则随时间以指数形式下降。
正是因为半导体激光的上述优点，使其愈来愈广泛地应用到国计民生的各个方面，诸如工业应用、信息技术、激光显示、激光医疗以及科学研究与国防应用。
随着激光芯片性能的不断提高与其价格的持续下降，以808 nm 以及9xx nm为代表的高功率激光器件已经成为激光加工系统的最核心的关键部件。
高功率激光芯片有若干重要技术指标，包括能量转换效率以及器件运行可靠性等。
器件的能量转换效率主要取决于芯片的外延结构与器件结构设计，而运行可靠性主要与芯片的腔面处理工艺有关。
本文首先简要综述高功率激光的设计思想以及腔面处理方法，随后展示深圳清华大学研究院和深圳瑞波光电子有限公司在研发808nm高功率单管激光芯片方面所取得的主要进展。
2.高功率激光结构设计图1. 半导体激光外延结构示意图图2. 外延结构以及与之对应的光场分布图3. 量子阱限制因子与SCH层厚度之间的关系图4. 光束发散角与SCH层厚度之间的关系图1给出了一个典型的基于AlGaAs材料的808 nm半导体激光外延结构示意图，由其可见，外延结构由有源区量子阱、AlGaAs波导以及AlGaAs包层材料组成，在材料选取上包层材料的Al 组分要高于波导层材料的Al组分，以保证在材料生长方向形成波导结构，即材料对其中的光场有限制作用（见图2）。
光学设计技术在激光器中的应用
光学设计技术在激光器中的应用激光器作为一种高度集成的光学仪器，其光学设计技术的水平直接影响着激光器的性能和稳定性。
因此，光学设计技术成为了激光器工程师们必须熟练掌握的技能之一。
本文将会介绍一些光学设计技术在激光器中的应用，具体包括：激光器光学系统的设计、光束质量的优化、激光器的耐损伤性设计。
激光器光学系统的设计激光器的光学系统设计是整个激光器设计中最为重要的一环，因为它直接决定了激光器的输出功率和波长等参数。
激光器光学系统的基本结构包括：光源、光电控制系统和输出光学系统。
在光源方面，激光器的光源种类目前有很多，包括CO2激光器、半导体激光器、钕玻激光器等等。
每种不同的光源都需要有相应的光学系统设计才能发挥它们的最佳性能。
在光电控制系统方面，主要是对光源性能和输出光学系统进行调节和控制。
在输出光学系统方面，主要是对光束进行整形、调节和成形。
激光器光学系统的设计需要非常精细的计算和仿真才能达到理想的效果。
例如，对于某些用于科学研究的激光器来说，其对输出光束的要求非常高。
光束的稳定性、强度和波长调制等参数必须达到相当高的水平才能满足实验需求。
光束质量的优化在实际应用中，光束的质量无疑是激光器的重要性能指标之一。
光束质量指标可以通过以下参数来评估：波前畸变、光束直径和光束散角等。
波前畸变是指光束通过光学系统后产生的畸变。
波前畸变可能由非均匀物质、光束散角和光学器件中的光学缺陷引起。
波前畸变的严重程度会影响到激光器功率的损失和输出光束的质量。
光束直径是指在一定距离范围内的光束最小截面直径。
光束直径会影响到激光器的耗能以及输出功率。
光束散角是指光束从其中心线偏离的最大角度。
光束散角直接影响到激光器输出功率和光束的扩散角度。
优化光束质量的方法可以通过使用精密设备在激光器的光路中安装正确的光学器件，以减少或消除波前畸变。
同时，调整激光器内光学器件的位置和数量，以优化光束直径和散角，可以大幅提高光束的质量。
激光器的耐损伤性设计激光器的光波长、能量和持续时间会对激光器内部的光学器件产生损伤。
半导体光学
半导体光学是一门研究以半导体材料为基础的光学技术的学科。
它研究利用半导体材料的特性来设计、制造和应用光学元件，以及研究半导体光子学。
半导体光学技术的发展可以追溯到20世纪50年代，当时研究者开发出了半导体激光器，这是第一个基于半导体材料的光学元件。
半导体光学技术的发展使得能够利用半导体材料的特性，设计和制造出各种光学元件，从而实现各种光学功能。
例如，可以利用半导体材料的发光特性，设计和制造出激光器、发光二极管、光敏电阻器等。
另外，半导体材料的吸收特性也可以用来制造光学元件，如滤光片、窗口等。
此外，半导体光学技术也可以用于研究半导体光子学，如量子点、量子线、量子层等。
这些研究结果可以用于设计和制造新型的光学元件，如量子点激光器、量子线激光器等。
因此，半导体光学技术是一门具有广泛应用前景的学科，它可以用来设计和制造各种光学元件，也可以用来研究半导体光子学，从而实现新型光学功能。
半导体光学技术的发展也为更多新型光学应用提供了可能性。
例如，可以利用半导体材料的发光特性，设计和制造出更小型、更轻巧的光学元件，从而实现更多的光学功能。
此外，半导体光学技术也可以用于研究新型的光学系统，如光纤通信系统、光学显示器等。
此外，半导体光学技术还可以用于制造特殊的光学元件，如微型的激光器、光学滤波器、光栅等，以及用于生物医学检测的光学元件，如激光扫描显微镜、激光分子镜等。
总之，半导体光学技术的发展为更多新型光学应用提供了可能性，它可以用来设计和制造更小型、更轻巧的光学元件，以及研究新型的光学系统，并可以用于制造特殊的光学元件，为光学应用提供新的可能性。
激光器设计原理讲解
引言光纤传感器自20世纪70年代以来，以其具有的灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、安全可靠等特点取得了飞速的发展。
同时，这些特性也使它可以实现某些特殊条件下的测量工作，比起常规检测技术具有诸多优势，是传感技术发展的一个主导方向。
作为光纤传感器中关键的光学元件之一的光源，其稳定度直接影响着光纤传感器的准确度。
本文所涉及的光纤传感器采用的是半导体激光器光源，半导体激光器具有单色性好、方向性好、体积小、光功率利用率高等优点，但是，光功率输出受外界环境变化的影响较大。
因此，本文针对半导体激光光源的工作原理和特性，设计了一种简单可行的自动功率控制(APC)驱动电路，通过背向监测光电流形成反馈，实现恒功率控制。
并且，引入了慢启动电路，防止电源电压的干扰，使激光器不会受到每次开启电源时产生的过流冲击，延长了激光器的使用寿命。
经实验验证，该电路解决了激光器在使用中输出功率不稳定的问题，其稳定度优于0.5%，达到了较好的稳流效果。
1 光源的工作原理和特性目前，实际应用的光源有表面光发射二极管(LED)、激光二极管(LD)、超辐射二极管(SLD)、超荧光光源(SFS)等。
随着光纤传感技术的迅速发展，体积小、质量轻、功耗小、容易与光纤耦合的LD等半导体光源应用越来越广泛。
本文主要研究半导体LD的驱动设计。
1.1 LD发光机理分析LD的基本结构为：垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里-珀罗谐振腔，它们可以是半导体晶体的解理面，也可以是经过抛光的平面。
其余两侧面则相对粗糙，用以消除主方向外其他方向的激光作用。
当半导体的PN结加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为λ的光子，其公式λ=hc/Eg， (1)式中 h为普朗克常数;c为光速;Eg为半导体的禁带宽度。
如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。
光学系统设计
光学系统设计光学系统设计是一项复杂而重要的任务，它涉及到光学元件的选择、布局和优化，以及系统参数的确定和调整。
在光学系统设计中，考虑到的因素有很多，包括光源的特性、光学元件的性能、系统的限制等等。
本文将探讨光学系统设计中的一些关键问题，并介绍一些常见的方法和技巧。
首先，光学系统设计的第一步是电磁波的传播。
光学系统中的光源发出一束光线，光线在经过各种光学元件（如透镜、棱镜、反射镜等）后，最终到达像平面上。
而光线的传播遵循光的物理定律，如折射、反射、散射等。
因此，在光学系统设计中，需要对光线的传播进行准确的建模和计算。
在光学系统设计中，光学元件的选择和布局是非常重要的。
不同的光学元件有不同的功能和特性，如透镜用于聚焦、反射镜用于反射等。
根据系统的需求，需要选择合适的光学元件，并合理地布局它们，以实现系统的设计目标。
例如，如果要实现高分辨率的成像，可以选择高质量的透镜，并将其放置在适当的位置。
除了光学元件的选择和布局，光学系统设计还需要考虑系统的性能和限制。
例如，光学系统的分辨率、灵敏度、动态范围等参数对系统的性能有很大的影响。
因此，在光学系统设计中，需要进行系统参数的确定和调整，以实现设计要求。
这可以通过优化方法，如遗传算法、粒子群算法等来实现。
在光学系统设计中，光源的选择也是非常重要的。
光源的特性直接影响了光线的传播和成像质量。
根据不同的应用需求，可以选择不同类型的光源，如激光器、LED等。
同时，还需要根据系统的设计要求，合理选择光源的参数，如波长、功率等。
最后，在光学系统设计中，需考虑到光学系统的误差和校准。
在实际应用中，光学系统存在一些误差，如光学元件的偏差、噪声、散射等。
这些误差会导致成像质量下降，因此，需要对光学系统进行校准。
校准可以通过相机标定、反射板法等方法来实现，以提高系统的精度和稳定性。
综上所述，光学系统设计是一项复杂而重要的任务。
在设计过程中，需要考虑到光线的传播、光学元件的选择和布局、系统的参数和限制、光源的选择、系统误差和校准等。
第6章 光学系统设计PPT课件
近点距 (cm)
-7 -10 -14 -22 -40 -200 100 40
远点距 （cm)
200 80 40
A=R-P (屈光度)
14
10
7
4.5 2.5 1
0.2 5
0
人眼的适应
眼睛能适应不同亮暗环境的能力称为适应。
适应可分为明适应和暗适应。前者发生在 由暗处到亮处时，适应时间大约几分钟； 后者发生在由亮处到暗处时，适应时间大 约30-60分钟。
图6-7 HG500发光二极管的配光曲线
4．光源的温度和颜色
任何物体，只要其温度在绝对零度以上，就向外界发出辐射，称为
温度辐射。黑体是一种完全的温度辐射体，其辐射本领 Mb ,T 表示为
：
M b
,T
M ,T ,T
式中，M
,T
de ddA
为辐射本领； ,T 为吸收率，当 ,T 1 时的物体称
被测 对象
光学系统 光学系统
光电探测器 光源
调理电路
作用：将光束变成平行光束、发散光束、 会聚光束或其他形式结构的光束
控制电路
计算机 显示与控制
现代光学仪器构成框图
❖光学系统的特点： ❖1、信息加载于光波，非接触、不破坏 ❖2、光波传播速度快，可实时测量控制 ❖3、波长短，测量精度高 ❖4、具有很高的空间分辨率 ❖5、可进行图像处理
一、光源的基本参数
1．发光效率
在给定的波长范围内，某一光源所发出的光通量
与产生该光通量所
V
需要的功率P 之比，称为该光源的发光效率，表示为:
V
2 d
1
P
P
（6－8）
式中，1 ~ 2 为该光电测量系统的光谱范围。
半导体激光器工艺
半导体激光器工艺半导体激光器工艺：发展、应用与挑战一、半导体激光器简介半导体激光器，也称为二极管激光器，是一种基于半导体材料激发特定波长光子的光电子器件。
自1960年代问世以来，半导体激光器以其高效、小型、灵活的特性在众多领域取得了广泛应用。
这些领域包括通信、显示、消费电子、生物医疗等。
二、制作材料与器件结构半导体激光器的制作材料主要包括三五族化合物，如GaAs（砷化镓）、InGaN（氮化铟镓）等。
这些材料具有直接带隙结构，便于实现高效的载流子注入和辐射复合。
器件结构方面，半导体激光器通常采用二极管结构，由两个端面反射镜和一个有源区组成。
有源区通常包含一个或多个量子阱，用于提供载流子并产生光子。
反射镜则用于形成共振腔，确保光子能在其中反复振荡并最终从输出端释放。
三、制造工艺流程半导体激光器的制造工艺流程包括以下几个阶段：1. 材料生长：通过液相外延、分子束外延等手段生长高质量的半导体材料；2. 制程工艺：在生长好的半导体材料上刻蚀微结构、镀膜等，以实现器件的特定功能；3. 测试与评估：对制作好的半导体激光器进行电学、光学性能的测试与评估，筛选合格的产品。
四、技术原理和特点半导体激光器的工作原理基于PN结的注入锁定效应。
当电流通过PN 结时，载流子从P区注入N区，通过外部反馈系统形成正反馈，使电流进一步增加。
当电流超过阈值时，载流子在PN结处产生光子，形成激光输出。
与其他类型激光器如气体激光器、光盘激光器相比，半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、速度快等优点。
同时，由于其直接输出光的特性，半导体激光器还具有无需光学系统进行转换或放大等优势。
五、应用领域和案例分析半导体激光器的应用领域非常广泛。
在通信领域，半导体激光器被用于光纤通信中，作为泵浦源或信号源。
在显示领域，半导体激光器可以用于制造高亮度、高分辨率的显示器。
在消费电子领域，半导体激光器被用于CD、DVD等光盘驱动器和激光打印机等设备。
以光纤通信为例，半导体激光器作为泵浦源，能够将能量转化为光能，并通过光纤传输到远端。
激光主动照明光学系统设计
Ｄ ４ ０ ０μ ｍ ， Ｎ Ａ＝ ０ ２ ２ ， 其内部包含的模数非常 １＝ 大， 其出射光完全可以用几何光学近似处理。所 以在此种情况下， 光纤完全可以实现对激光光束 的匀光处理。 鉴于跟踪测量系统所选用探测相机的波段需 要， 所选用半导体激光器功率为 ０ ５ ０Ｗ 连续线 性可调， 工作波段为（ ８ ０ ８ʃ ３ ）ｎ ｍ ， 并支持远端自 动控制。 ２ ５ｋ ｍ 不同远近处目标， 系统 为保证对 ０ 的照明区域均为直径为 １ ０ｍ的圆形区域， 激光光 源经照明光学系统后其发散角度 θ应为 ２ｍ ｒ ａ ｄ （ ５ｋ ｍ ） ５ ０ｍ ｒ ａ ｄ （ ０ ２ｋ ｍ ） 可调。系统的最小发 散角度 θ 共同确 ５ｋ ｍ由光纤直径 Ｄ １与系统焦距 ｆ
１ ４ ］ 和Ｅ ｌ ｖ ｉ ｓ ｓ 激光主动成像系统等 ［ 。同时， 国内外
对激光主动照明技术的研究主要集中在距离选通 技术及探测距离等领域， 并未对不同照明距离处 照明亮度的一致性及均匀性的问题进行分析， 而 从目前激光主动成像系统来看， 存在目标照度不 均匀及照度动态范围过大的问题
［ １ ４ ］
激光光源直接输出的光功率密度为高斯分 布， 需要进行匀光处理， 使用传统光棒匀光混合效 果不佳， 且光功率损耗比较大。光纤具有可弯曲、 可多光纤合束、 可长距离传输、 光功率损耗低等诸 多优点， 故选取光纤作为激光混光和中继传输器
１ ４ ］ 件［ 。本文采 用 多 模 石 英 光 纤， 纤芯直径径为
Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎｏ ｆ ｌ ａ ｓ ｅ ｒａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅｉ ｌ ｌ ｕ ｍｉ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
Ｌ Ｉ ＵＴ ａ ｏ ，Ｈ ＵＹ ｕ ｅ ，Ｄ Ｏ Ｎ ＧＪ ｉ ａ ｎ ，Ｓ Ｈ Ｅ ＮＪ ｕ ｎ ｌ ｉ