半导体激光束准直系统的研究

半导体激光器光束准直技术研究摘要：相较于其他激光器，半导体具有结构简单、功耗低、操作方便等优点，且目前已广泛应用于激光领域，例如：激光通信、激光测距等。

基于半导体激光器的基本结构，在垂直于结平面方向上，它发出的光束的发射角大小大约为30o；而在平行于结平面方向上，它的发射角大约为10o。

正是由于两者的发射角相差太大，所以半导体激光器在应用过程中，利用特殊的光学系统对其输出光束进行准直是非常有必要的。

本文开篇部分主要介绍了半导体激光器的发展现状和准直意义，中间部分主要讲述了半导体激光器的基本原理与结构分类，最后大概介绍了一些半导体激光器光束准直方法。

关键词：半导体激光束；准直；整形一、半导体激光器的发展现状和准直意义半导体激光器从二十世纪六十年代开始发展，较其他激光器落后几年，如今半导体激光器的技术已相当成熟。

二十世纪七十年代开始，人们重点研究了半导体激光器的动态特性，使其主要朝着两个方面发展，其一是功率型激光器，主要以提高光功率为主；其二是信息型激光器，主要以传递信息为主。

近年来，人们也研发出了高功率半导体激光器，其指的是脉冲输出功率在5W以上，且连续输出功率在100mW以上。

二十世纪九十年代，在泵浦固体激光器的作用下，高功率半导体激光器的研发取得了实质性进展，主要指半导体激光器的连续输出功率可以达到5W~30W左右，得到了很大的提高。

现在，高功率半导体激光器在国内外的发展已相当白热化，其中国外商品化的大功率半导体激光二极管阵列已达到千瓦级别，而国内的样品器件要稍微落后一点，但也已达到了600W。

现如今，半导体激光器已广泛应用于各行各业，但是在应用过程中，出现了一些问题，主要是由于半导体激光器的波导结构造成的。

这些问题主要表现在三个方面：其一，半导体激光束在快轴方向和慢轴方向的发射角之间相差太大，其中在慢轴方向的发射角大概在10o左右，而在快轴方向上的发射角甚至可以达到60o左右；其二，半导体激光器具有固有像散，即半导体激光器在慢轴和快轴两个方向上的束腰不在同一地方；其三，半导体激光器的远场的光斑为椭圆形的。

半导体激光器实验报告半导体激光器实验报告引言：半导体激光器是一种重要的光电子器件，具有广泛的应用领域，如通信、医疗、工业等。

本实验旨在通过搭建实验装置，研究半导体激光器的工作原理和性能特点，并探索其在光通信领域的应用。

实验一：激光器的工作原理激光器的工作原理是基于光放大和光反馈的原理。

在实验中，我们使用一台半导体激光器，通过电流注入激发半导体材料，产生光子。

这些光子在激光腔中来回反射，不断受到增益介质的放大，最终形成激光束。

实验装置中的关键组件包括半导体激光器、激光腔、准直器和光探测器。

半导体激光器通过电流注入，激发载流子跃迁，产生光子。

光子在激光腔中来回反射，经过准直器调整光束的方向，最后被光探测器接收。

实验二：激光器的性能特点在实验中，我们测试了激光器的输出功率、波长和光谱宽度等性能指标。

通过改变注入电流和温度等参数，我们研究了激光器的输出特性。

首先，我们测试了激光器的输出功率。

通过改变注入电流，我们观察到激光器输出功率随电流增加而增加的趋势。

然而，当电流达到一定值后，激光器的输出功率不再增加，甚至出现下降。

这是由于激光器的光子数饱和效应和损耗机制导致的。

其次，我们测量了激光器的波长。

通过调节激光腔的长度，我们观察到激光器的波长随腔长的变化而变化。

这是由于激光腔的谐振条件决定了激光器的输出波长。

最后，我们研究了激光器的光谱宽度。

通过光谱仪测量激光器的光谱分布，我们发现激光器的光谱宽度与注入电流和温度有关。

随着注入电流的增加和温度的降低，激光器的光谱宽度变窄，光纤通信系统中要求的窄光谱宽度可以通过适当的调节实现。

实验三：半导体激光器在光通信中的应用半导体激光器在光通信领域有着重要的应用。

我们通过实验研究了激光器在光纤通信中的应用。

首先，我们将激光器的输出光束通过光纤传输。

通过调节激光器的输出功率和波长，我们实现了光纤通信中的光信号传输。

通过光探测器接收光信号，并通过示波器观察到了传输过程中的光信号波形。

绿光半导体激光器单管合束及光纤耦合技术研究摘要：近年来，随着我国经济的高速发展和科技的进步，光电器件与材料相关领域的研发不断取得新进展，性能得到明显强化，在各大领域得到广泛应用。

为进一步提高半导体激光功率，可以采用激光器单管合束及光纤耦合技术。

基于此，分析研究绿光半导体激光器单管合束及光纤耦合技术，对提高仪器总功率以及将其应用于更多领域有重要的现实意义。

关键词：绿光半导体激光器；单管合束；光纤耦合前言：利用合束技术可以使多个半导体激光器在光纤中进行耦合，由此形成半导体激光器的光学器件，保证激光的输出功率，提高激光束的质量。

目前，国内外已广泛使用多种红外波段的半导体激光器，广泛用于彩色显示、激光印刷、高密度光盘存储等领域，但目前对于可见光波段激光耦合模块尤其是绿光波段的研究还很少，因此，对绿光高功率半导体激光器光纤耦合模块进行深入研究，是当前光电器件与材料相关领域研发重点之一。

1半导体激光器光纤耦合模块研究半导体激光器技术已经相对成熟，由于其具有光束不均匀性、单元功率低等特点，在一定程度上限制其应用领域。

为保证半导体激光器的功率输出，需要对激光器进行多层叠加，这会一定程度上限制光束质量。

随着半导体耦合技术的不断发展和进步，通过使用半导体激光器进行合束，可以有效提升光束的质量，实现激光远距离柔性传输。

最早的光纤是20世纪50年代研制出来的，后来被人们逐渐推广使用。

在20世纪70年代，就有国外公司利用化学气相沉积法得到了损耗较低的光纤，随着半导体激光器的迅速发展和光纤耦合技术的发展，人们对不同类型的半导体激光器进行了大量的研究，并取得了大量的成果。

2半导体激光器非相干合束技术目前，半导体激光器的合束技术方法有两种：相干合束和非相干合束。

半导体激光器利用光束准直技术和聚焦耦合技术，使多个光束单元的耦合成为可能。

在相干合束技术的应用中，采用了相位控制方法，使激光阵列各发光元件产生同一波长的光束，从而达到相干合束。

半导体激光器准直透镜的耦合半导体激光器准直透镜的耦合，这听起来可能有点高深，其实嘛，简单说就是把激光器发出的光通过透镜聚焦成一束笔直的光。

这就像用水枪喷水，水流很散，但你用手指一捏，水流瞬间变得又细又直。

想想我们平时生活中，激光器就像一位拼命想要展现自我的艺术家，而准直透镜就是那位耐心的经纪人，帮他把光线的美感完美展现出来。

没错，激光器发出的光可不止是照照亮，咱们可以用在光通信、激光打印，甚至激光手术，这些科技小玩意儿可都是靠这些搭档一起努力的呢。

你知道吗，半导体激光器的工作原理其实挺有趣的。

想象一下，一群小电流在半导体材料里欢快地跳舞，它们相遇后互相碰撞，释放出光子。

这时候，光子就像是个调皮的小孩子，四处乱跑。

如果没有透镜的帮忙，它们可能会漫无目的地飞走，结果浪费掉了很多好东西。

透镜就像是个专业的引导员，负责把这些光子召集到一起，形成一束集中力量的光线。

哎，想象一下，如果没有透镜，激光就变成了“漫射光”，就像散了一地的泡泡糖，漂亮却毫无用处。

这透镜的选型可是门学问。

得考虑光的波长、材料的折射率，还有透镜的曲率半径，真是麻烦。

但就像选衣服一样，有些透镜天生适合特定的光线，选对了就能把光的效果提升到极致。

很多时候，这透镜还得经过精准加工，打磨得光滑无比，不能有任何瑕疵。

不然，光线一旦碰上不光滑的地方，哎呀，那可就乱成一团了，失去所有的优雅。

耦合的过程也并不是那么简单，激光器和透镜之间得有个完美的配合。

就像男女搭档跳舞，得默契得如胶似漆。

激光器发出的光线角度、位置、强度都得恰到好处，这样透镜才能把光线抓得稳稳的，不然，光线就像是喝了咖啡的孩子，怎么也控制不住。

要是调试得当，耦合效果就会特别棒，光线不仅明亮，而且聚焦得特别好，效率简直爆表。

咱们还得提到一些实际应用。

比如在光纤通信中，透镜的作用就像是把信息一层层传递给远方的小伙伴，确保每一个光脉冲都准确无误地抵达。

还有激光打标机，透镜帮助激光将信息“刻”在材料上，这个过程简直就是现代版的“雕刻家”。

引言
半导体激光器( laser diode，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SPL LL90 _3 的半导体激光器查看使用说明书得到: SPL LL90_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= 15°，在子午( 垂直于结平面) 方向上的发散角= 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. 1 m ～0. 2 m 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。

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激光准直的真实原理是什么激光准直是指通过特定的光学元件以及光学设计手段，使激光光束具有平行光特性的过程。

在激光技术的应用中，激光准直是一个非常重要的工艺步骤，它能够确保激光束在传输过程中的方向性、光强、光斑尺寸等参数的稳定性和一致性，从而提高激光系统的成像质量、测量精度和功率效率等方面的性能。

激光准直的真实原理主要包括两个方面：光学元件的选择和光学系统的调整。

第一，光学元件的选择：在激光准直的过程中，光学元件起到了至关重要的作用。

其中，最常用的光学元件包括准直透镜、锥形透镜以及棱镜等。

准直透镜是最常见的光学元件之一，在激光准直中主要用于改变光束的方向、焦距和尺寸等参数。

而锥形透镜则可以将被准直的光束聚焦成较小且尺寸均匀的激光光点，从而实现光束的微聚焦。

另外，棱镜可以通过反射和折射等光学原理，对激光光束进行线性调整，实现光束的偏转和对准等功能。

根据激光准直的要求和实际应用场景的不同，选择合适的光学元件是至关重要的。

一般来说，需要综合考虑光学元件的透射率、折射率、材料的热膨胀系数以及成本等因素，以确保光学元件能够在激光准直中具有较好的性能和稳定性。

第二，光学系统的调整：在选择合适的光学元件后，还需要对光学系统进行精确的调整，以实现激光准直的目标。

光学系统的调整主要包括光路对准、调焦和调整光斑尺寸等方面的操作。

首先，进行光路对准是激光准直的重要步骤。

通过调整光学元件的位置和角度，使得光线在系统中的传输路径保持平行，以确保激光光束具有稳定的方向性和光强分布。

其次，进行调焦操作是实现激光准直的关键环节。

通过改变准直透镜或锥形透镜的位置和焦距，使激光光束能够在一定距离内保持最佳的聚焦效果，以实现激光准直的最终目标。

此外，调整光斑尺寸也是激光准直中需要考虑的因素之一。

根据实际需要，通过调整光学元件的直径、形状和倾斜角度等参数，改变激光光斑的大小和形状，以满足特定的应用需求。

综上所述，激光准直的真实原理主要包括光学元件的选择和光学系统的调整。

一、实验目的1. 了解半导体激光器的基本原理和光学特性；2. 掌握半导体激光器耦合、准直等光路的调节；3. 根据半导体激光器的光学特性考察其在光电子技术方面的应用；4. 熟悉WGD6光学多道分析器的使用。

二、实验原理1. 半导体激光器的基本结构半导体激光器，全称为半导体结型二极管激光器，是一种利用半导体材料作为工作物质的激光器。

其基本结构包括工作物质、谐振腔和激励能源。

工作物质通常采用V族化合物半导体，如GaAs、MoSb等；谐振腔由两个平行端面构成，起到反射镜的作用；激励能源有电注入、光激励、高能电子束激励和碰撞电离激励等。

2. 半导体激光器的阈值条件半导体激光器的阈值电流是各种材料和结构参数的函数。

在满足阈值条件时，半导体激光器才能产生激光。

阈值电流表达式为：\[ I_{th} = \frac{L}{\eta} \frac{P}{h\nu} \]其中，\( I_{th} \) 为阈值电流，\( L \) 为有源层长度，\( \eta \) 为内量子效率，\( P \) 为注入功率，\( h \) 为普朗克常数，\( \nu \) 为发射光的真空波长。

3. 半导体激光器的光学特性半导体激光器的光学特性主要包括单色性好、高亮度、体积小、重量轻、结构简单、效率高、寿命长等。

三、实验仪器与设备1. 半导体激光器及可调电源；2. WGD6型光学多道分析器；3. 可旋转偏振片；4. 旋转台；5. 多功能光学升降台；6. 光功率指示仪。

四、实验步骤1. 搭建实验系统，连接各仪器设备；2. 调节可旋转偏振片，观察偏振光的变化；3. 调节旋转台，观察光斑在屏幕上的变化；4. 调节多功能光学升降台，观察光功率指示仪的读数；5. 使用WGD6型光学多道分析器，对半导体激光器的光谱进行测量；6. 记录实验数据，分析实验结果。

五、实验结果与分析1. 通过调节可旋转偏振片，观察到偏振光的变化，验证了半导体激光器的偏振特性；2. 通过调节旋转台，观察到光斑在屏幕上的变化，验证了半导体激光器的准直特性；3. 通过调节多功能光学升降台，观察到光功率指示仪的读数变化，验证了半导体激光器的功率特性；4. 使用WGD6型光学多道分析器，对半导体激光器的光谱进行测量，得到激光波长、线宽等参数，进一步验证了半导体激光器的光学特性。

激光准直仪原理激光准直仪原理是指利用激光光束来检测测量物体的水平和垂直方向的相对位置，是一种常用于建筑、制造和测绘等领域的精确测量工具。

激光准直仪由于其高精度和高效率，已成为现代科技和工程实践的必备工具。

激光准直仪原理包括激光发射原理、激光束偏转原理和光电测量原理。

下面我们将详细介绍这三个方面的原理。

一、激光发射原理激光准直仪可以发射单色、高强度的激光束，其核心技术是激光的发射原理。

激光是由激光器中的激光介质（如He-Ne、Nd:YAG等）所产生的，并通过光机系统将激光束做成平行光线发射出去。

激光的发射具有相干性强、方向性好、空间相干长度长等特点，因此具有高亮度性质。

激光准直仪中常用的激光器有He-Ne激光、半导体激光和固体激光等。

He-Ne激光器是一种常见的气体激光器，具有单色性好、光束质量高等优点。

而半导体激光器体积小，效率高，但线宽大，不适用于精密测量。

固体激光器具有较大的输出功率和较高的光束质量，因此被广泛应用。

二、激光束偏转原理激光准直仪中的激光束偏转主要是通过光学元件来实现的，常见的光学元件有反射镜、透镜和棱镜等。

激光准直仪中常用的光学元件是反射镜。

激光准直仪中的反射镜一般分为二面反射镜和三面反射镜两种。

二面反射镜由两块平行的反射面构成，常用于对准垂直方向和水平方向；而三面反射镜则由三块相互垂直的反射面构成，可以同时对准垂直方向、水平方向和竖直方向。

当激光束通过反射镜时，会依照反射镜的角度发生偏转，从而实现对准垂直方向和水平方向，达到准确定位的目的。

三、光电测量原理激光准直仪还需要通过光电测量原理对测量值进行确定。

光电检测是通过光电二极管集成电路将光电转化为电信号，经放大、滤波、数字化等处理后，达到对物体位置的测量。

在激光准直仪中常用的光电检测元件有光电倍增管、光电二极管、CCD等。

在进行精密的测量时，通常采用CCD，以提高测量的精度和稳定性。

激光准直仪原理是利用激光的发射、光束偏转和光电测量原理，将物体的水平和垂直方向的相对位置进行测量。