半导体激光器光束匀化技术研究

论文摘要

半导体激光器相比于其他类型激光器,具有体积小、重量轻、寿命长、功耗低、可靠性高等优点,此外应用低电压恒流的供电方式,电源故障率低、使用安全,维修成本低,因此应用领域日益扩大。在一些以激光器为核心器件的场合,例如,激光切割、钻孔、退火,半导体制造,激光的医学手术,激光核聚变等领域,激光光斑的形状及能量均匀度影响着激光应用的精度,但由于半导体激光器的快慢轴发散角不对称,光束质量很差,光强分布不均匀等缺点阻碍了其应用和发展,因此对半导体激光器进行光束整形才能满足应用要求。将半导体激光器输出光束进行匀化得到平顶光斑具有重要意义和应用价值。目前激光光束匀化方法对于存在固有像散、快慢轴发散角不同的半导体激光器的匀化研究较少,因此本文基于半导体激光器的光束特性,对半导体激光器匀化分析与系统设计进行了研究工作,本文的主要内容如下:(1)介绍了用于描述平顶光束的四种数学模型,根据需求可以选择一种模型进行编程,优化透镜参数实现匀化效果;介绍常用的评价光斑能量均匀度的方法,说明了各种评价方法的优点和局限性;介绍了微透镜阵列用于光束匀化的原理,对光束进行分割,最后叠加,每个子光束范围内的微小不均匀性将在重合的过程中获得均匀的光斑。(2)基于光线追迹的方法介绍了用于光束匀化的非球面光线追迹模型,该模型可以根据不同的出射光强分布函数得到不同的匀化效果。针对只有一个发光区的半导体激光器单管,设计模拟了可以将椭圆形高斯光束整形为圆形和方形匀化光斑的两种光学系统,并分析了半导体激光器发散角、观测平面位置以及准直镜旋转对匀化的影响程度,得到光斑均匀度均大于90%。(3)针对多发光区的半导体激光器线阵和叠阵结构,利用Zemax进行仿真,线阵远场得到方形均匀光斑,叠阵远场得到均匀线光斑和方形均匀光斑,均匀度都达到90%以上。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 引言
•   1.1 半导体激光器介绍
•     1.1.1 半导体激光器的发展与应用
•     1.1.2 半导体激光器的光束特性
•   1.2 光束匀化方法与研究进展
•   1.3 本文研究意义与内容
• 第二章 匀化光束基础理论和方法
•   2.1 平顶光束的数学模型
•     2.1.1 超高斯光束
•     2.1.2 平顶高斯光束
•     2.1.3 平顶多高斯光束
•     2.1.4 费米-狄拉克光束
•   2.2 光斑匀化度评价方法
•   2.3 微透镜阵列匀化原理
•   2.4 本章小结
• 第三章 半导体激光器单管光束匀化系统
•   3.1 非球面透镜光束匀化设计方法
•     3.1.1 非球面透镜
•     3.1.2 非球面透镜光束匀化设计
•   3.2 基于非球面的光束匀化设计
•     3.2.1 设计思路及方案
•     3.2.2 Zemax仿真结果及分析
•   3.3 基于慢轴微透镜阵列的光束匀化设计
•     3.3.1 设计思路及方案
•     3.3.2 Zemax仿真结果及分析
•   3.4 本章小结
• 第四章 半导体激光器线阵和面阵光束匀化系统
•   4.1 半导体激光器线阵匀化
•     4.1.1 匀化方案
•     4.1.2 Zemax仿真结果及分析
•   4.2 半导体激光器叠阵匀化
•     4.2.1 均匀线光斑
•     4.2.2 均匀方形光斑
•   4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 全文总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 孙玉博

导师: 刘兴胜

关键词: 半导体激光器,光束匀化,非球面,微透镜阵列

来源: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

分类号: TN248.4

DOI: 10.27605/d.cnki.gkxgs.2019.000068

总页数: 66

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