基于ZEMAX的半導體激光準直仿真設計

半導體激光器(laserdiode，LD)以其體積小效率高易于集成可高速直接調制等優點，被廣泛用于激光雷達激光測量激光照明激光制導激光打印以及高密度信息記錄與讀取等領域。但是半導體激光器發射的激光光束具有在垂直和平行于結平面兩個方向發散角不同光斑形狀不規則(如一般是橢圓型或長條型)存在固有像散等缺點，這使得半導體激光3維掃描成像雷達的測程測距精度大大受影響，為了適用于遠距離空間激光測距，必須對半導體激光發散光束進行準直作者主要采用橢圓面柱透鏡對905nm的半導體激光做準直整形處理，使得激光的發散角盡可能的小，接收物體表面的激光光斑盡可能的小，而且規則，從而達到提高測程和測距精度的目的。

1. 理論分析及計算

采用OSARM公司的型號為SPLLL90_3的半導體激光器查看使用說明書得到:SPLLL90_3型號的半導體激光器在弧矢(平行于結平面)方向上的發散角θ//=15°，在子午(垂直于結平面)方向上的發散角θ⊥=30°，整個激光器的峰值功率為70W。

半導體激光器有源區只有約0.1μm～0.2μm的厚度，可以近似看作沿慢軸方向的線光源根據半導體激光束兩個方向的發散角不同的特點，采用兩個互相垂直的柱透鏡組分別對兩個方向的光束進行準直，選用的兩個柱面鏡面型為橢圓面。

如圖1所示，半導體激光器發出的子午光線先經過母線平行于激光束慢軸方向的柱透鏡后變成準平行光束（平行光束不可能實現）由于第2個柱透鏡M2對于子午光線的發散角無影響，可看作平板玻璃圖2顯示弧矢光線經過第1個透鏡M1時，光束會發生偏移，但不會影響光束的發散角，在經過第2個柱透鏡時，弧矢光也同樣得到準直，輸出準平行光。

設兩個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個柱透鏡的平面側的距離為L，激光束的發散半角分別為θ1/2∥和θ1/2⊥。下面將激 光器看作一個點光源，運用幾何光路原理分別對子午 光線和弧矢光線進行準直計算。

設兩個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個柱透鏡的平面側的距離為L，激光束的發散半角分別為θ1/2∥和θ1/2⊥。下面將激 光器看作一個點光源，運用幾何光路原理分別對子午 光線和弧矢光線進行準直計算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，兩個方向的光束分布與標準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. 結論 

用兩個相互垂直的橢圓面柱透鏡對波長為905nm的半導體激光器進行準直模擬設計。根據幾何光路原理推導了計算公式，并在MATLAB中反復計算，得到了準直系統的初始參量。然后在ZEMAX設計軟件中，將初始參量進一步優化，得到更好的結構。通過優化，得到的激光束在弧矢和子午方向上的發散角分別為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，基本可以滿足3維掃描雷達的要求。同時證明了橢圓柱透鏡對激光準直有很好的作用。

鑒于篇幅，本文僅為節選（激光技術，第36卷 第3期）。

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