超细激光束准直器设计的新数学模型
基于ZEMAX的半导体激光器非球面准直透镜设计
（中北 大学 电子测试技术 国家重点实验室 ，山西 太原 ０３００５１）
摘 要 ：为 了解 决半 导体 激光器 出射光 束发散 角 大 的 问题 ，根 据 几何 光 学原 理 ，分 别针 对 半 导 体 激 光器 弧矢和 子 午方 向的不 同发 散角度 建 立 数 学模 型 ，设 计 出 了在 两个 相 互 垂 直 的方 向上 具有 不 同非球 面面 型 的非球 面透 镜 ，并 在 ＺＥＭＡＸ光 学设 计 软 件 中进 行 了仿 真 。经 非球 面 准 直透镜 准 直之 后 ，半 导体 激光器 快 慢轴 方 向 的发 散 角 分别 从 ３５。和 ７．５。压 缩 到 了 １．８ ｍｒａｄ和 ０．８４ ｍｒａｄ，在 距 离光 源 １０ １ＴＩ处接 收 面上 的总 光功率 为 ０．４９７ Ｗ ，光 能利用 率高 达 ９９．４％ 。 结 果表 明，在 相 互垂直 的方 向上 具有 不 同面 型 的非球 面准 直 透 镜 对半 导 体 激 光器 的准 直具 有 良 好 的效果 。 关 键词 ：半 导体 激光 器 ；非球 面透镜 ；ＺＥＭＡＸ；准 直 中图分 类 号 ：ＴＮ２４８ 文 献标 识码 ：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－５０７８．２０１３．１２．１５
基金项 目：国家 自然科学 基金 （Ｎｏ．６１０７８０３６）；山西省 重大专 项 （Ｎｏ．２０１１１１０１０４５）资 助 。
作者简介 ：杜彬彬 （１９８８一），女 ，硕士研究生 ，主要从 事光学设 计 以及红外气体 传感 器气 室结 构设 计 等方 面研 究 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｕｂｉｎｂｉｎ—
第 ４３卷 第 １２期 ２０１３年 １２月
基于二维PSD的激光准直系统研究
端、 近端 Ｐ Ｄ上 的位 置 坐标 分 别 为 （ ｙｆ Ｌ） Ｓ ｘｆ， ， ， （ Ｘ ， ，） 同式 （ ）（ ）（ ）可计 算 旋转 后 激 ｙ ０， ２ 、３ 、４ ， 光光 束在 近端 Ｐ Ｄ 坐标 系 ０ Ｓ ｚ 的方 向 矢量 中
为（ ， Ｄ ， Ｄ ） 。
＝
（） ２
ｙ ＋Ｌ ・ａ０一ｇ ｆ ｔ ｎ ｎ
（） ３ （） ４
（ ｆ Ｘ ）＋（ ｆ Ｘ— ｎ ｙ ＋Ｌ・ ｎ 一ｙ）＋Ｌ ｔ０ ａ ｎ ２
Ｌ
＝
２ 准 直控 制 数 学模 型
根 据检 测 的实 际需求 ， 检测设 备 放置 位置 如 各 图 ５所示 ， 安装 有激 光管 的 四维平 台放 置 于被测 工 件 的一 侧 ， 安装 有 Ｐ Ｄ 的相 关 装 置 依 次先 后 放 将 Ｓ 置 在被测 工 件上 ， 之与激 光 器 的距 离 达到 最大 和 使
安 装调 试过 程 中快速 建立 光 学基 准 。 关键 词 ： 光 ； 置探 测 器 ； 直 激 位 准
中图分 类号 ： Ｎ ４ Ｔ ２７
文献 标识码 ： Ａ
文章 编号 ：６ ２—１ １ （０ ２ １ —０ ７ —０ １７ ６ ６２ １ ）１ ０ ９ ４ 直 的方 向定 义为 ｙ轴 的方 向 ， 四维平 台可 以实 现 则
● 近 端 自准 赢 ： （ ） 计锋 四维 平 台 各轴 电机 步 数 ： １ （ ）控 制 电机 凋 整 Ｆ￣ 、 ； ２ ｑｆ Ｆ台 ． ｔ （ ）采 集 、 计算 并 显示 光 点 标 。 ３
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快速调整激光干涉仪光线准直系统的设计
【 摘 要 】 用激光干涉仪能够很好地解决数控机床定位精度差的问题，然而调整激光器的方向， 使 使 激光束 与所测机 床轴 的移动 方向平行 是一 项很 重要 而且麻 烦 的工作 。为快速 准确调 整激光 器方 向 ，
在 对激光干 涉仪 工作原理 深入研 究的基础 上 ， 分析 了激光束 偏心 的原 因 ， 构建 了以 Ｐ Ｃ为控 制核 心 ， Ｌ 驱
ＬＵ Ｑ ｎ －ｉ ， Ａ ｏ ｇ Ｌ ＷＡ Ｇ Ｑ ａ ｇｊｎ， Ｈ Ｎ ｅ ｂｉ Ｉ ｉｇｊ Ｇ Ｏ Ｈ ｎ － ｉ ｅ ， Ｎ ｉｎ －ｕ ２Ｚ Ｅ Ｇ Ｂ ｉ ｅ — （ ｃ ｏｌ ｆ ｃ ａ ｉ ｌ ｎ ｉｅｒ ｇＳ ｕｈ ｅｔ ｉｏ ｎ ｎｖｒｉ ， ｈｎ ｄ １０ １Ｃ ｉａ ｈ ｏ ｏ ｈ ｎｃ ｇｎ ｅｉ ，ｏｔｗ ｓＪ ｔ ｇＵ ｉｅｓ ｙＣ ｅ ｇｕ６ ０ ３ ， ｈｎ ） Ｓ Ｍｅ ａＥ ｎ ａ ｏ ｔ
ｐｅｉ ｌ， ｅ ｅｅｒｈｎ ｅｏｅａｏａ ｐｉｃ ｌ ｏ ｅ ｎｅ ｒｍ ｔ ， ｅｅｃｎｒ ｅ ｏ ｓｒ ｒｃｓ ｙ ｒｒｓａｃｉ ｔ ｐ ｒｔ ｎｌ ｒ ｉｅｆ ｌ ｒｉｔ ｏ ｅ ｒｔ ｃｅｔｃｒａ ｎｏ ｌ ｅ ｅ ｇｈ ｉ ｎｐ ａ ｓ ｅ ｄ ｅ ｈ ｉ ｓ ｆ ａ
ｃｌｍ ｔ ｎｏｔｅｉｔｄ ｒｍ ｔ ， ｅｅ ｒ ｉｉｖｌａｌ ｉ ｏｕａｉｎ ｄ ｔａ ｐｉ ｉｎ ｏｉａｉ ｈ ｅ ｏ ｅ ｔ ｒ ｏｅ ｔｓ ａｕ ｅ ｎ ｐ ｌ ｚ ｇｉ ｉ ｕ ｒ ａ ｌａ ｏ． ｌ ｏｆ ｎ ｅ ｅ ｒ ｈ ｆ ｂ ｐ ｒ ｉ ｎｎｓ ｉ ｐ ｃ ｌ ｔ
基于ZEMAX的半导体激光准直仿真设计
引言
半导体激光器( laser diode，LD) 以其体积小效率高易于集成可高速直接调制等优点，被广泛用于激光雷达激光测量激光照明激光制导激光打印以及高密度信息记录与读取等领域。
但是半导体激光器发射的激光光束具有在垂直和平行于结平面两个方向发散角不同光斑形状不规则( 如一般是椭圆型或长条型) 存在固有像散等缺点，这使得半导体激光3 维扫描成像雷达的测程测距精度大大受影响，为了适用于远距离空间激光测距，必须对半导体激光发散光束进行准直。
作者主要采用椭圆面柱透镜，对905nm 的半导体激光做准直整形处理，使得激光的发散角尽可能的小，接收物体表面的激光光斑尽可能的小，而且规则，从而达到提高测程和测距精度的目的。
1.理论分析及计算
采用OSARM 公司的型号为SPL LL90 _3 的半导体激光器查看使用说明书得到: SPL LL90_3 型号的半导体激光器在弧矢( 平行于结平面) 方向上的发散
角= 15°，在子午( 垂直于结平面) 方向上的发散角= 30°，整个激光器的峰值功率为70W半导体激光器有源区只有约0. 1 m ～0. 2 m 的厚度，可以近似看作沿慢轴方向的线光源根据半导体激光束两个方向的发散角不同的特点，采用两个互相垂直的柱透镜组分别对两个方向的光束进行准直，选用的两个柱面镜面型为椭圆面如图
1 所示，半导体激光器发出的子午光线先经过母线平行于激光束慢轴方向的柱透镜后变成准平行光束( 平行光束不可能实现) 由于第
2 个柱透镜M2对于子午光线的发散角无影响，可看作平板玻璃图2 显示弧矢光线经过第1 个透镜M1 时，光束会发生偏移，但不会影响光束的发散角，在经过第 2 个柱透镜时，弧矢光也同样得到准直，输出准平行光。
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基于Zemax的半导体激光准直和整形设计
基于Zemax的半导体激光准直和整形设计作者：陆兵兵来源：《科技视界》2015年第17期【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。
【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：2 非球面准直透镜组设计2.1 非球面方程介绍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。
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？琢■、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。
LD激光束准直整形模块的研制
Ｋｅ ｗｏｒ ｓ： ｆ ｒ ｆｅｄ ｉ ｅ ｇ ｎ ｅ ｎ ｅ； ｃ ｌｉ ｔｏ ａ ｓ ａ ｎ ｙ ｄ ａ — ｉｌ ｄ ｖ ｒ ｅ ｃ ａ ｇｌ ｏ ｌｍａ ｉ ｎ ｎｄ ｈ ｐｉ ｇ； ｃ ｌｂｒ ｔｏ ｗｉｈ ａｉ ａｉｎ ｔ ＣＣＤ；
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔｈｅ ｄ ｖ ｒ ｅ ｃ ａ ｇｌｓ ｏ ｔ ｉ ｌ — ｄｅ Ｇａ ｓ ｂ ａ ｇｅ ｅ ａ ｅ ｂ Ａ１ Ｓ ｓｒ ｃ ： ｉ ｅ ｇ ｎ ｅ ｎ ｅ ｆ ｈｅ ｓｎｇ ｅ ｍｏ ｕ ｓ ｅ ｍ ｎ ｒ ｔ ｄ ｙ Ｇａ Ａｓ ＤＬ一
５ ０ ４ ０ ＬＤ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｅ ｐ ｎｄ ｃ ａ ｄ ｒ ｃ ｉ ｎ ａ ｅ ｎｏ ｑ ｌ ａ ｄ ｔ ｒ ｉ ａ ｔｇｍ ａ ｉｍ ｎ ｔ ｌ ｓ ｒ ｉ ｈ ｐ ｒ ｅ ｉｕｌ ｒ ｉｅ ｔｏ ｓ ｒ ｔ ｅ ｕａ ， ｎ ｈｅ ｅ ｓ ｓ ｉ ｔｓ ｉ ｈｅ
ＺＨ Ａ Ｎ Ｇ ａ —ｉ ｎｇ Ｘｉ ｎ ｌａ 。 Ｙ Ａ Ｎ ａ ｓ Ｇ ｏ— ｈｉ
（ ． ｔ ｎ ｌＩ ｓｉｕ ｅ ｏ ｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔａ ｄ Ｔｅ ｔｎ ｃ ｎ ｌ ｇ ，Ｃｈ ｎ ｄ １ ０ １ Ｃｈ ｎ ； ２ Ｓ ｈ ｏ ｆ １ Ｎａ ｉ ａ ｎ ｔｔ ｔ ｆＭ ａ ｕ ｅ ｎ ｎ ｓ ｉ ｇ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙ ｏ ｅ ｇ ｕ ６ ０ ２ ， ｉａ ．ｃ ｏ ｌ ｏ
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第２ 卷 第３ ９ 期 ＺＯ 年 ５ Ｏ８ 月
文 章 编 号 ： ０ ２２ ８ （ ０ ８ ０ — ４ ２０ １ ０ — ０ ２ ２ ０ ） ３０ １ — ６
ZEMAX在多模光纤准直器设计中的应用
摘要 利用 Ｚ ＥＭＡ Ｘ 软件进行多模光纤准直器的设 计 。 在 Ｚ ＥＭＡ Ｘ 开发环境下建立多模光纤准直器光路系统的 理论模型 ， 通过人工优化的方法 ， 设计并制作了可调 焦 的 多 模 光 纤 准 直 器 ， 仿 真 结 果 与 实 际 结 果 相 一 致， 证实了利 分析了各 种 因 素 对 光 纤 准 直 器 耦 合 用Ｚ ＥＭＡ Ｘ 进行多模光纤准直器设计的可行性和准确性 。 利用所建立的模型 ， 效率和准直度的影响 。 关键词 光纤光学 ；多模光纤 ； Ｚ ＥＭＡ Ｘ 软件 ；耦合效率 ；准直度 中图分类号 Ｏ ： ／ ４ ３ ７． ４ 文献标识码 Ａ 犱 狅 犻 １ ０． ３ ７ ８ ８ 犔 犗 犘 ４ ８． ０ １ ０ ６ ０ ５
狕＝
犽 ＝－１ 为抛物面 ， 犽 ＝ ０ 为球面 ， 犽 ＞ １ 为扁圆 。 －１ 为双曲面 ， －１ ＜ 犽 ＜ ０ 为椭圆 ， ５］ 在非球面透镜的应用中 ， 平面 （ 或凸面 ） 双曲面透镜可以将无限远目标聚焦成无像差的光 斑 ［ 。 利用这
可以运用平面 （ 或凸面 ） 双曲面透镜对半导体激光器的快轴进行准直 ， 如图 １ 所示 。 个特性 ，
２， ３］ 高光纤系统的耦合效率 ［ 。 光纤准直器通常主要由准直系 统和光纤两 部分组成 。 光纤 准 直 器 根 据 光 纤 的
不同可以分为单模光纤准直器和多模光纤准直器 。 其中 ， 多 模光纤 准直 器由于其 耦 合 效 率 高 而 被 广 泛 应 用 在传能方面 。 本文从实用的角度出发阐述 Ｚ 通过建模来验证 ＥＭＡＸ 在光 无 源 器 件 多 模 光 纤 准 直 器 设 计 中 的 应 用 ， Ｚ ＥＭＡ Ｘ 在多模光纤准直器设计中的可行性 。
基于ZEMAX的半导体激光器非球面准直透镜设计
基于ZEMAX的半导体激光器非球面准直透镜设计杜彬彬;高文宏;李江澜;石云波;徐美芳;赵鹏飞;王艳红【摘要】为了解决半导体激光器出射光束发散角大的问题,根据几何光学原理,分别针对半导体激光器弧矢和子午方向的不同发散角度建立数学模型,设计出了在两个相互垂直的方向上具有不同非球面面型的非球面透镜,并在ZEMAX光学设计软件中进行了仿真.经非球面准直透镜准直之后,半导体激光器快慢轴方向的发散角分别从35°和7.5°压缩到了1.8 mrad和0.84 mrad,在距离光源10 m处接收面上的总光功率为0.497W,光能利用率高达99.4％.结果表明,在相互垂直的方向上具有不同面型的非球面准直透镜对半导体激光器的准直具有良好的效果.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2013(043)012【总页数】5页(P1384-1388)【关键词】半导体激光器;非球面透镜;ZEMAX;准直【作者】杜彬彬;高文宏;李江澜;石云波;徐美芳;赵鹏飞;王艳红【作者单位】中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西太原030051【正文语种】中文【中图分类】TN2481 引言半导体激光器(Laser diode，LD)具有体积小、成本低、波长范围宽、易于集成等优点，已被广泛应用于医疗、军事、材料加工、激光模拟、光信息处理以及生命科学研究等领域［1－3］。
但由于其自身量子阱波导结构的限制，半导体激光器出射光束存在不对称的较大发散角、输出光束不均衡、存在固有像散等缺点，尤其在大功率半导体激光器阵列的集成应用中，由于半导体激光器单管发散角太大，造成了严重的光能量损失，大大降低了耦合效率。
激光器_振镜_构成_准直径_场镜_概述及解释说明
激光器振镜构成准直径场镜概述及解释说明1. 引言1.1 概述激光器是一种能够产生高强度相干光的装置，广泛应用于科学研究、医疗、工业加工和通信等领域。
激光器的核心组件之一是振镜，它起到了控制激光束传输方向和准直度的重要作用。
而构成准直度场镜则在激光系统中起到进一步调整和修正激光束径向分布的关键角色。
1.2 文章结构本文将从三个方面对激光器、振镜以及构成准直度场镜进行深入讨论。
首先，在“2. 激光器”部分，我们将介绍激光器的定义、原理，并对其按照特定标准进行分类。
接着，在“3. 振镜”部分，我们将详细解释振镜的作用原理，并列举常见类型和结构形式。
最后，在“4. 构成准直度场镜”部分，我们将深入探讨构成准直度场镜的定义、作用以及设计特点，并展示它在实际激光系统中的应用情况。
1.3 目的本文的目的是对激光器、振镜和构成准直度场镜进行全面介绍，以便读者能够了解它们的作用、原理和应用。
通过本文的阅读，读者将增加对激光器相关技术的认知，并对振镜和构成准直度场镜在激光系统中的重要性有更深刻的理解。
这对于从事激光领域研究或工程应用的人员来说，将提供宝贵的参考和指导。
2. 激光器2.1 定义和原理激光器是一种将非常纯净且高强度的光束产生出来的装置。
其基本工作原理是通过受激辐射过程实现的，利用外加能量使活性介质中的电子跃迁并产生光子放射。
2.2 激光器的分类根据不同的工作介质和发光方式，激光器可以分为多个类别。
常见的分类有气体激光器、固态激光器、半导体激光器等。
具体而言，它们包括二氧化碳激光器、氦氖激光器、Nd:YAG激光器、掺铒纤维激光器以及半导体二极管激光器等。
2.3 激光器的应用由于其特殊属性，激光器在众多领域中得到了广泛应用。
它们常被用于科学研究、医疗治疗、通信技术、材料加工等行业。
在科学领域中，激光技术被广泛应用于实验室研究、光谱学和物质分析等；在医疗领域中，激光器可用于手术切割、眼科治疗和皮肤美容等；在通信技术方面，激光器则可用于传输大量数据、光纤通信和激光雷达等；在材料加工领域中，激光器常被应用于精密切割、焊接和沥青路面打标记等。
高斯光束和准直器简介
基模高斯光束和准直器简介
摘要
• 基模高斯光束 • 高斯光束传输（准直器）
• 高斯光束的准直
• 高斯光束耦合
基模高斯光束
为什么是基模高斯光束?
• 从单模光纤中出来的光场我们可以近似认为是基模高 斯光束，束腰的位位置在光纤端面。
光传输方向 w01 w02 z1 z2
• 经过准直器后出来的光场也是基模高斯光束。 • 基模高斯光束分析方法可以应用到几乎所有的单模光 无源器件上。
如何控制准直器的出射光束腰大小，位置？
• 准直器的设计决定了出射光束腰大小，位置的可调节范围。
– 增大/减小入射光束腰w01, 出射光束腰减小/增大，工作距离可调范 围减小/增大；增大/减小c-lens的曲率半径R,出射光束腰增大/减小， 工作距离可调范围增大/减小；可通过设计透镜长度控制后截距的大 小，适应不同器件的需要；改变透镜的折射率特性可改变出射光的 特性，目前c-lens的材料业界已基本统一为SF11。
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• 目前主要采用的准直方法为加透镜，主要有C-lens， G-lens。 • 高斯光束的准直可用q传输理论进行简单的分析，理 论与实验测量的结果吻合的很好。 • 将以c-lens为例，简单介绍准直器的原理。
准直器的q传输图示（c-lens）
光传输方向 q0 q1 w01 z1 参数说明： q0 – 光纤端面q值；q1 – c-lens平面前表面q值； q2 – c-lens球面后表面q值；q3 –出射光束腰处q值； W01 /w02 – 入/出射光束腰； L – c-lens 的长度； R – c-lens 的曲率半径；n – c-lens的折射率； 取原点在光纤端面，光传输方向为正方向； z2 q2 q3 w02