基于ZEMAX的半导体激光器匀光设计

摘要：为了满足半导体激光器能量均匀化的应用需求，基于ZEMAX光学设计软件设计了一套光束整形匀光系统。采用非球面镜与倒置柱面镜望远系统的透镜组合对单模半导体激光器进行准直，得到近似高斯圆光斑；在推导了基模高斯强度分布的匀光投影半径的基础上，利用ZEMAX优化得到两个非球面镜组成的匀光透镜组，在一定范围内可获得能量均匀度达96%以上的圆光斑。同时，实现了一个大功率半导体激光器光纤耦合模块的能量匀化设计，满足对能量匀化要求较高的应用。结果表明，该研究为半导体激光器能量均匀化的应用提供了有效方法。

关键词：光学设计；光束匀化；ZEMAX；半导体激光器

引言

半导体激光器(laserdiode，LD)由于具有电光转换效率高输出功率大体积小寿命长可靠性好以及价格低廉等优点，被广泛应用于照明医疗材料加工等诸多领域。然而，半导体激光器光束质量较差，远场光斑分布呈椭圆高斯型，且存在本征象散在激光焊接熔覆及表面热处理等应用中，能量分布不均易导致材料局部温度过高而影响材料的性能；在光催化领域研究中，紫外激光光源因其一系列优点受到重视，利用能量均匀分布的紫外半导体激光器光源能得到均匀的催化效果；在半导体激光治疗仪的广泛应用中，输出能量均匀的光斑可使激光照射的有效治疗面积增大，治疗效果更显著在半导体激光器的很多应用中，都对其光束提出了截面圆化和能量均匀化的要求为了满足应用需求，必须对半导体激光器输出光束进行整形匀化的处理。

目前，高斯光束整形成能量均匀分布的平顶光束方法主要有非球面透镜组、二元光学元件、多光束叠加、复眼透镜等等。其中，非球面透镜组的设计结构最为简洁，容易实现，光能损失小。FAN和FENG等人在FＲIEDEN等人提出的将高斯光束利用非球面透镜组整形成平顶光束的理论基础上，通过数值分析方法得到非球面镜的面型参量。但是，数值模拟过程较复杂，数值计算存在误差，并且若要在较远位置实现匀光效果，需加扩束系统。

作者利用ZEMAX光学设计软件设计了一套光束整形匀光系统。先实现单管单模LD的准直和圆化，得到近似高斯能量分布的光束，进而通过匀光透镜组在某一位置实现能量的均匀化，整体设计简单，易实现。

1 半导体激光器的光束特性

半导体激光器的有源区在竖直方向和水平方向的孔径约束大小不一样，由于衍射等原因导致高斯光束空间分布的不对称性。在垂直于结平面(快轴)的方向上，发散角一般在20°～40°，光束质量接近衍射极限，为基横模高斯分布;在平行于结平面(慢轴)的方向上，发散角一般在8°～15°，光束质量很差，为多模厄米-高斯分布。

在ZEMAX中，半导体管沿角度方向上强度分布可用下式表示：

......

4 结论

作者针对LD大发散角、椭圆高斯分布的特性，在ZEMAX中设计了一套光束整形匀光系统，并编写了相应的宏语言程序，提高了优化效率。模拟结果表明，在非序列模式下，最佳位置的能量均匀度可达96%以上，且在较长范围内均有匀光效果。现今，非球面镜的加工技术已经比较成熟，CNC抛光非球面透镜和模压玻璃非球面透镜均得到广泛应用，大大提高了非球面整形系统的实际应用价值。该研究为能量均匀化的半导体激光器在激光照明、材料加工、医疗等领域的广泛应用，提供了有效途径。随着半导体激光器光束质量及功率的不断提高，该匀光系统有广阔的应用前景。

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