张林的开题报告

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长春理工大学硕士学位论文开题报告学科、专业：光电光学工程研究方向：光电子技术及应用 导师：马晓辉 研究生： 张林 论文题目：半导体激光器光束特性和耦合系统设计开题报告日期：2010年研究生部制表说明开题报告由研究生本人在完成文献阅读、科研调查的基础上，并通过“开题报告评议后填写。本报告一式两份。一份交学院作为论文检查的依据；一份答辩后作为档案材料归入学位档案。开题报告用A4纸打印。

一、课题来源及研究的目的和意义课题来源：导师自拟。半导体激光器是激光器件中的新一族，它除了具有其他激光器无可比拟的超小型、重量轻的优点外，还具有发光效率高、易于集成、结构简单、可高速直接调制、且调制频率高、可靠性能好、使用寿命长、价格便宜等优势。目前,半导体激光器已在许多领域中得到应用，如激光测量、激光照明、激光制导、激光测距、激光打印以及高密度信息记录和读取等由此可知，它将成为目前最有发展前途的激光器件之一。但半导体激光器的光束质量差，为了使半导体激光器输出的光束，能高质量、高效率的照射到目的物体上，光学耦合系统是必需的。在设计光学耦合系统时，必须根据输出光束来设定系统参数以达到最大的耦合效率。因此，研究半导体激光的光束特性成为其应用的重要前提。在半导体激光的应用中，光学耦合系统是必不可少的。通常情况下，光学耦合系统具有以下主要功能:首先，能够将激光束高效率的耦合到目的物中(如光纤等)或者接受泵浦的有源材料；其次，对半导体激光器的输出光束进行整形，减小光束的发散角或光束束腰半径，以改善远场对称性和光斑形状。人们对半导体激光光束整形技术的研究伴随着整个半导体激光器的应用与发展，是应用光学领域一个重要的分支。目前，己经有许多技术或方案被应用于实验室或生产领域并取得一定的效果，但是，所有这些技术或方案都存在这样或那样的问题。在研究了半导体激光器的光束特性的情况下，对其耦合系统设计进行不断地改进和完善，那么它的应用将会变得更加容易和广泛。所以，提出新的耦合方案或对原有技术加以改进，研制出高效、简单、容易实现的耦合系统是半导体激光束耦合技术发展的主要途径。二、国内外研究现状、主要研究内容、研究方法和研究思路（3000字左右）垂直腔面发射激光器是比较成熟的半导体激光器结构形式，它的谐振腔面与结平面平行，发射光束垂直于腔面，所以有源层厚度就决定了增益区长度，致使它们的单程增益比常规激光器小得多。为了克服这一缺点，目前就采用应变量子阱作有源区，同时采用异质结构布拉格反射器以提高腔内反射光的比重。垂直腔面发射激光器与端面发射激光器相比阈值电流很低(亚毫安或几十微安)，光束几何对称性好，是发散角很小的圆形光束，使得与光纤耦合的效率高，容易实现高密度二维面阵列器件。该类激光器是目前乃至将来研究和发展的重点。而目前国内半导体激光器的主要耦合方法有以下几种：1、直接耦合这种耦合方法结构简单，调整方便，成本也低，但受到发散角和芯宽及数值孔径的影响，耦合效率不高。但可以通过加工制作光纤维透镜的方法提高耦合效率。有一偏文章提出将多模光纤末端研磨成一定锥角的圆锥面,借助工具显微镜,使其与大功率GaAlAs量子阱LD实现直接耦合,取得了满意的结果，耦合效率高大50.8%。该法结构简单,调整方便,不仅适用于大功率LD与多模光纤的直接耦合,而且适用于小功率的单纵模运转LD与单模光纤的直接耦合,具有较高的实用价值。2、单透镜准直法单透镜准直法是一种既简单又经济实用的准直法，这种方法采用一个较大相对孔径的透镜，调整透镜与半导体激光器的相对位置，当h=f时,光束的发散角最小,方向性最好。此时,半导体激光器的出射面正好位于透镜的左侧焦点上。且当h’=f时，即经透镜变换后的光束束腰W20恰好位于透镜的右焦点处,此时输出的光束是比较好的平行光。但若要得到高质量的激光束,还需再加上其它光学元件如球面透镜、柱面镜和望远镜系统等。 3、圆柱透镜准直系统 用圆柱透镜准直半导体激光束的方法简单易行，在要求不是很高的情况下，基本可以满足准直的要求，比如当快轴方向发散的半角宽为300时，准直后的远场发散半角可达1.30但是，圆柱透镜的准直效率并不太高，在准直度要求很高的情况下，该方案往往难以满足应用要求。 4、非球面柱透镜准直 非球面柱透镜准直半导体激光束在理论上可以达到完全准直的效果，从而也是在一些要求很高的系统中常用的方法之一。同时，我们看到，由于非球面柱透镜的曲面方程难以确定，加之非球面镜在加工上的困难，使得这一方法的广泛使用受到一定的限制。 5、自聚焦透镜准直系统 用变折射率介质棒来准直半导体激光束的方法，理论模型简单，特别是对于二次型折射率分布的介质，在实践中也容易实现，准直效果可达3mrad一4mrad，这对于一般的应用要求是可以满足的；但是，必须看到，该方案没有考虑半导体激光器输出光束的像散问题，并且当角度比较大时，其准直效果并不理想。 6、柱透镜组准直系统 柱透镜准直系统是将两个焦距不等、母线相互垂直的平凸柱面透镜的焦平面调到与的发光面重合,光束通过两个柱面透镜时,只在径向发生折射,在母线方向不发生折射,从而分别实现对慢轴和快轴方向发散光束的准直因此,我们在使用该系统对光束进行准直时,只需调整两柱面透镜的位置,使它们的焦平面与的发光面重合,就可达到使光束准直的目的。7、双曲面微透镜准直系统利用双曲面透镜的模型，可对LD输出光束的快轴和慢轴同时准直，并可大大提高输出功率密度，得到较高的耦合效率。这种透镜具有结构简单，调整方便，耦合效率高的特点。设计者利用这种双曲面透镜对发光面积为1×100μm2的半导体激光器与芯径50μm的多模光纤进行耦合实验得到总耦合效率为74%。本论文的主要研究内容方法和思路1、认真学习理论知识，了解半导体激光器的基本结构和半导体激光的发光原理及相关知识。2、在理解半导体激光器结构和原理的前提下分析半导体激光器光束特性。分析半导体激光的远场和近场特性，近场分布通常被理解为光强在解理面上的分布，远场特性是指距输出腔面一定距离(d>>λ)的光束在空间的分布。分析半导体激光的光束质量，光束质量是衡量激光光束优劣的一个极其重要的指标。分析半导体激光的像散特性。3、根据半导体激光的光束特性并结合现有的耦合技术设计半导体激光器耦合系统。通常情况下，光学耦合系统具有以下主要功能：首先，能够将激光束高效率的藕合到目的物中(如光纤等)或者接受泵浦的有源材料；其次，对半导体激光器的输出光束进行整形，减小光束的发散角或光束束腰半径，以改善远场对称性和光斑形状。对于系统的设计分以下几步：a、选择合适的半导体激光器，测出激光器的快轴和慢轴发散角。其中慢轴发散角约为100，快轴发散角约为300。b、选择合适的光纤，根据光纤纤芯和包层的折射率利用光纤数值孔径公式计算出光纤的最大入射角。c、结合上述参数利用ZEMAX软件设计半导体激光器耦合系统。d、搭建光学平台，对设计的耦合系统进行可靠行实验。4、对设计出的耦合系统进行测试，并计算分析耦合效率。耦合效率η定义为光纤接收到的有效传输功率Ｐf与光源辐射总功率Ｐs之比，即也可由耦合损耗α表示5、根据耦合效率、成本、实用度等各方面因素对设计出的耦合系统进行比较，选取最佳方案。三、经费来源及概算大功率半导体激光器重点实验室1万。四、主要设备、仪器及材料，实验地点或协作单位主要设备包括：光学平台，光纤，半导体激光器，计算机主要仪器包括：显微镜，各种透镜，CCD，半导体激光器电源主要材料包括：半导体材料主要实验地点：长春理工大学南区科技大厦主要协作单位：高功率半导体激光国家重点实验室五、阅读的主要参考文献综述（不少于2000字。并列出25篇重要的参考文献，其中外文10篇）一、半导体激光器简介半导体激光器(Semiconductorlasers)是利用半导体中的电子光跃迁引起光子受激发射而产生的光振荡器和光放大器的总称，具体而言，半导体激光器是在直接带隙半导体PN结中，用注入载流子的方法实现由伯纳彼一杜拉福格条件所控制的粒子数反转：由高度简并的电子和空穴复合所产生的受激光辐射在光学谐振腔内振荡并得到放大，最后产生相干激光输出的装置。与其他各种激光器相比，半导体激光器具有如下突出的优点：(l)半导体激光器是直接的电子一光子转换器，因而它的转换效率很高。理论上，半导体激光器的内量子效率可接近100%，实际上由于存在某些非辐射复合损失，其内量子效率要低许多，但仍可以达到70%以上。(2)半导体激光器所覆盖的波段范围宽广，可以通过选用不同的半导体激光器有源材料或改变多元化合物半导体各组元的组分，而得到范围很广的激射波长以满足不同的需要。(3)半导体激光器的使用寿命最长，目前用于光纤通信的半导体激光器，其工作寿命可达数十万乃至百万小时。(4)具有直接调制的能力是半导体激光器有别于其它激光器的一个重要特点。(5)半导体激光器的体积小、重量轻、价格便宜，这也是其它激光器无法比拟的。二、半导体激光器的光束特性半导体激光光束质量和特性在两个极不对称的方向上(快轴和慢轴)是有所不同的。在发散角较大的快轴方向上，光束质量接近衍射极限，基本上是高斯分布。而在发散角较小的慢轴方向上，光束质量较差，其特性介乎于高斯光束和几何光束之间。如果将问题适当简化，假设可以采用几何光学近似，即半导体激光是由快轴和慢轴方向上的两个点光源发射的，那么我们就可以得到一个窗口大小是100×1μm２的半导体激光光束形状示意图如图所示。竖直方向的点光源就在半导体窗口的紧后面（<2μm），而水平方向点光源则在窗口后方约2mm1、激光光场分布为了使半导体激光器输出的光束，能高质量、高效率的照射到目的物体上，光学耦合系统是必需的。在设计光学耦合系统时，必须根据输出光场分布来设定系统参数以达到最大的耦合效率。因此，研究半导体激光的光场分布成为其应用的重要前提。在一般情况下，光场分布分别用近场和远场特性来描述。近场分布通常被理解为光强在解理面上的分布，远场特性是指距输出腔面一定距离(d>>λ)的光束在空间的分布。2、光束质量因子M2 在激光的应用中，光束质量是衡量激光光束优劣的一个极其重要的指标。在激光发展的历史上，研究者针对不同的应用目的提出过许多不同的表征光束质量的参数，例如用远场发散角，聚焦光斑尺寸，可聚焦能量以及斯特列尔(strehl)比作为标准等等。90年代初，siegman提出采用M2统一地描写激光光束的质量。 经过推导，这一式可以表示为ω0和Θ分别表示为实际光束的光腰半径和远场发散角。与一般的激光光束不同的是，半导体激光的光场强度分布不能简单地用Gauss分布来表示，而是由半导体激光器中的波导结构及其半导体材料所决定；而且，由于半导体激光器的微小尺寸，使其光束发散角很大，所以，以往傍轴光束的理论将不能适用于半导体激光光束的分析。提出了非傍轴光束的光学质量因子M2可以表示为3、像散特性 内禀像散不变量a定义为 式中T=-tr(VJVJ)/2是本征像散，Ｊ是反对角单位矩阵。 激光二极管运行在多模状态时,其内禀像散不变量a与模阶次m和该模式的权重因子Cm成比例，模阶次越高或高阶模的权重越大，其内禀像散不变量a就越大，光束像散也越厉害。三、耦合系统方案在耦合系统设计中最为关注的问题是光纤的最大入射角，我们用光纤的数值孔径NA来表示，数值孔径为：1、直接耦合这种耦合方法结构简单，调整方便，成本也低，但受到发散角和芯宽及数值孔径的影响，耦合效率不高。但可以通过加工制作光纤维透镜的方法提高耦合效率。有一偏文章提出将多模光纤末端研磨成一定锥角的圆锥面,借助工具显微镜,使其与大功率GaAlAs量子阱LD实现直接耦合,取得了满意的结果，耦合效率高大50.8%。该法结构简单,调整方便,不仅适用于大功率LD与多模光纤的直接耦合,而且适用于小功率的单纵模运转LD与单模光纤的直接耦合,具有较高的实用价值。2、单透镜准直法单透镜准直法是一种既简单又经济实用的准直法，这种方法采用一个较大相对孔径的透镜，调整透镜与半导体激光器的相对位置，当h=f时,光束的发散角最小,方向性最好。此时,半导体激光器的出射面正好位于透镜的左侧焦点上。且当h’=f时，即经透镜变换后的光束束腰W20恰好位于透镜的右焦点处,此时输出的光束是比较好的平行光。但若要得到高质量的激光束,还需再加上其它光学元件如球面透镜、柱面镜和望远镜系统等。 3、圆柱透镜准直系统 用圆柱透镜准直半导体激光束的方法简单易行，在要求不是很高的情况下，基本可以满足准直的要求，比如当快轴方向发散的半角宽为300时，准直后的远场发散半角可达1.30但是，圆柱透镜的准直效率并不太高，在准直度要求很高的情况下，该方案往往难以满足应用要求。 4、非球面柱透镜准直 非球面柱透镜准直半导体激光束在理论上可以达到完全准直的效果，从而也是在一些要求很高的系统中常用的方法之一。同时，我们看到，由于非球面柱透镜的曲面方程难以确定，加之非球面镜在加工上的困难，使得这一方法的广泛使用受到一定的限制。 5、自聚焦透镜准直系统 用变折射率介质棒来准直半导体激光束的方法，理论模型简单，特别是对于二次型折射率分布的介质，在实践中也容易实现，准直效果可达3mrad一4mrad，这对于一般的应用要求是可以满足的；但是，必须看到，该方案没有考虑半导体激光器输出光束的像散问题，并且当角度比较大时，其准直效果并不理想。 6、柱透镜组准直系统 柱透镜准直系统是将两个焦距不等、母线相互垂直的平凸柱面透镜的焦平面调到与的发光面重合,光束通过两个柱面透镜时,只在径向发生折射,在母线方向不发生折射,从而分别实现对慢轴和快轴方向发散光束的准直因此,我们在使用该系统对光束进行准直时,只需调整两柱面透镜的位置,使它们的焦平面与的发光面重合,就可达到使光束准直的目的。7、双曲面微透镜准直利用双曲面透镜的模型，可对LD输出光束的快轴和慢轴同时准直，并可大大提高输出功率密度，得到较高的耦合效率。这种透镜具有结构简单，调整方便，耦合效率高的特点。并利用这种双曲面透镜对发光面积为1×100μm2的半导体激光器与芯径50μm的多模光纤进行耦合实验得到总耦合效率为74%。8、多光束耦合多光束的祸合技术可以分为非相干耦合技术和相干耦合技术两大类。半导体激光光束非相干耦合技术广泛的应用于材料处理、医疗以及半导体激光器泵浦固体激光器上。在所有的光学祸合系统中，它们基本的技术原理可以分为三种：1.空间复合技术(SpatialMultiplexing)；2.偏振复合技术(PolarizationMultiplexing)；3.波长复合技术(WavelengthMultiplexing)。与非相干技术相比，相干耦合技术可以得到光学质量更好、亮度更高的耦合光束。然而，大多数的相干耦合系统的结构较非相干的系统而言要复杂且不稳定，并不适用于工业系统。9、其它耦合方法这些年来，国内外出现了一些其它的耦合方法的设想，如二元光学准直法、反射法、反射法等等。主要参考文献：1、马华.半导体激光光束准直技术研究.西安电子科技大学.2006:1-57.2、吴翔.半导体激光光束的特性及其耦合技术.浙江大学.2004:1-123.3、王小妮，朱林泉.半导体激光器光束特性的研究.红外.2007,3：28-48.4、黄文财，王秀琳，郭福源.半导体激光束准直技术.光电子技术与信息.1994，12（2）：15-18.5、郁道银，谈恒英.工程光学.北京:机械工业出版,2007:338-3686、黄文财，王秀琳，郭福源.半导体激光束准直系统的研究.应用光学.1999，20（1）：1-57、牛岗，樊仲维，王家赞，潘树志.大功率半导体激光光纤耦合技术进展.激光与光电子学进展.2004，41（3）.34-388、王江，勾志勇，张越，王楚，王磊，杨向东.大光束光纤耦合半导体激光准直系统.激光杂志.2006，27（1）.66-689、沈诗哲.单片式半导体激光光束控制的研究.浙江大学.2005.1-9110、张健.耦合半导体激光进入光纤.激光技术.1996，20（3）.129-13211、马华，曾晓东，安毓英.双半圆柱透镜准直半导体激光光束.中国激光.200633（7）937-94012、梁一平，戴特力.用圆柱透镜准直半导体激光光束的分析.激光杂志.2004，25（3）.26-2813、马慧莲，杨建义，李瑾，王明华.半导体激光光束准直技术研究.光通信研究,2000,29(2):43-47.14、徐莉，马晓辉，史全林，李军，王玲.半导体激光光束准直技术研究.长春理工大学学报,2004,27(4):38-40.15、王秀琳，黄文财，郭福源.半导体激光准直仪设计.应用光学,1999,20(1):1-4.16、K.A.Forrest，J.B.Abshire.TimeEvolutionofpulsedfar-fieldpatternsofGAaIAsPhase-loekedlaser-diodearrays[J].IEEEJournalofQuantumElectronics，1987，23(8):128717、BrownDC.Highpowerlaserdiodearrays.IEEEJQE.1992，28.952一96418、L.W.CaspersonandA.A.TovaoHermite-sinusoidal-GaussianbeamsincomplexOpticalsystem.J.OPt.Am(A).1998.15(4):954一96319、Abdul-Azeez，R.AI-RashedandBahaaE.A.Saleh.Dece-lteredGaussianbeams.APPI.OPt.1995，34(30):6819一6825。20、TorstenPossner，BehnrardMessersemhidt，AkneKraeplin，etal.AssemblyofFast-axaicollimatinglenseswithhighPowerlaserdiodebarsSPIE.ZO00，3952.392一39921、R.Kingslake.LensDesignFundamental.New22、H