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基于ZEMAX的半导体激光准直仿真设计

作者:衡工 日期:2021-09-19 人气:2168

半导体激光器(laserdiode,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SPLLL90_3的半导体激光器查看使用说明书得到:SPLLL90_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θ//=15°,在子午(垂直于结平面)方向上的发散角θ=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0.1μm~0.2μm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。


设两个柱透镜的厚度分别为d和d',柱透镜的折射率为n,激光器到第1个柱透镜的平面侧的距离为L,激光束的发散半角分别为θ1/2∥θ1/2⊥。下面将激 光器看作一个点光源,运用几何光路原理分别对子午 光线和弧矢光线进行准直计算。


设两个柱透镜的厚度分别为d和d',柱透镜的折射率为n,激光器到第1个柱透镜的平面侧的距离为L,激光束的发散半角分别为θ1/2∥θ1/2⊥。下面将激 光器看作一个点光源,运用几何光路原理分别对子午 光线和弧矢光线进行准直计算θ1/2∥

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子午方向和弧矢方向的光束基本集中在半径为10mm的光斑范围内,两个方向的光束分布与标准高斯曲线分布基本吻合,且在10m处,接收面上激光总 功率为54W左右。


3. 结论 


用两个相互垂直的椭圆面柱透镜对波长为905nm的半导体激光器进行准直模拟设计。根据几何光路原理推导了计算公式,并在MATLAB中反复计算,得到了准直系统的初始参量。然后在ZEMAX设计软件中,将初始参量进一步优化,得到更好的结构。通过优化,得到的激光束在弧矢和子午方向上的发散角分别为3.6mrad 和4.4mrad,10m处接收到的激光总功率为54W,激光能量大多集中在半径为10mm的光斑范围内,基本可以满足3维扫描雷达的要求。同时证明了椭圆柱透镜对激光准直有很好的作用。


鉴于篇幅,本文仅为节选(激光技术,第36卷 第3期)。

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