基于ZEMAX的半導(dǎo)體激光準(zhǔn)直仿真設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體激光器(laserdiode，LD)以其體積小效率高易于集成可高速直接調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于激光雷達(dá)激光測(cè)量激光照明激光制導(dǎo)激光打印以及高密度信息記錄與讀取等領(lǐng)域。但是半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光光束具有在垂直和平行于結(jié)平面兩個(gè)方向發(fā)散角不同光斑形狀不規(guī)則(如一般是橢圓型或長(zhǎng)條型)存在固有像散等缺點(diǎn)，這使得半導(dǎo)體激光3維掃描成像雷達(dá)的測(cè)程測(cè)距精度大大受影響，為了適用于遠(yuǎn)距離空間激光測(cè)距，必須對(duì)半導(dǎo)體激光發(fā)散光束進(jìn)行準(zhǔn)直作者主要采用橢圓面柱透鏡對(duì)905nm的半導(dǎo)體激光做準(zhǔn)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(guī)則，從而達(dá)到提高測(cè)程和測(cè)距精度的目的。

1. 理論分析及計(jì)算

采用OSARM公司的型號(hào)為SPLLL90_3的半導(dǎo)體激光器查看使用說(shuō)明書(shū)得到:SPLLL90_3型號(hào)的半導(dǎo)體激光器在弧矢(平行于結(jié)平面)方向上的發(fā)散角θ//=15°，在子午(垂直于結(jié)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(dǎo)體激光器有源區(qū)只有約0.1μm～0.2μm的厚度，可以近似看作沿慢軸方向的線光源根據(jù)半導(dǎo)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(duì)兩個(gè)方向的光束進(jìn)行準(zhǔn)直，選用的兩個(gè)柱面鏡面型為橢圓面。

如圖1所示，半導(dǎo)體激光器發(fā)出的子午光線先經(jīng)過(guò)母線平行于激光束慢軸方向的柱透鏡后變成準(zhǔn)平行光束（平行光束不可能實(shí)現(xiàn)）由于第2個(gè)柱透鏡M2對(duì)于子午光線的發(fā)散角無(wú)影響，可看作平板玻璃圖2顯示弧矢光線經(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(zhǔn)直，輸出準(zhǔn)平行光。

設(shè)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?zhèn)鹊木嚯x為L(zhǎng)，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(yùn)用幾何光路原理分別對(duì)子午 光線和弧矢光線進(jìn)行準(zhǔn)直計(jì)算。

設(shè)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?zhèn)鹊木嚯x為L(zhǎng)，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(yùn)用幾何光路原理分別對(duì)子午 光線和弧矢光線進(jìn)行準(zhǔn)直計(jì)算θ1/2∥。

......

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(nèi)，兩個(gè)方向的光束分布與標(biāo)準(zhǔn)高斯曲線分布基本吻合，且在10m處，接收面上激光總 功率為54W左右。

3. 結(jié)論 

用兩個(gè)相互垂直的橢圓面柱透鏡對(duì)波長(zhǎng)為905nm的半導(dǎo)體激光器進(jìn)行準(zhǔn)直模擬設(shè)計(jì)。根據(jù)幾何光路原理推導(dǎo)了計(jì)算公式，并在MATLAB中反復(fù)計(jì)算，得到了準(zhǔn)直系統(tǒng)的初始參量。然后在ZEMAX設(shè)計(jì)軟件中，將初始參量進(jìn)一步優(yōu)化，得到更好的結(jié)構(gòu)。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(nèi)，基本可以滿足3維掃描雷達(dá)的要求。同時(shí)證明了橢圓柱透鏡對(duì)激光準(zhǔn)直有很好的作用。

鑒于篇幅，本文僅為節(jié)選（激光技術(shù)，第36卷 第3期）。

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