半导体激光器光学系统设计(精)

44瓦超高功率808 nm半导体激光器设计与制作仇伯仓，胡海，何晋国深圳清华大学研究院深圳瑞波光电子有限公司1. 引言半导体激光器采用III-V化合物为其有源介质，通常通过电注入，在有源区通过电子与空穴复合将注入的电能量转换为光子能量。

与固态或气体激光相比，半导体激光具有十分显著的特点：1）能量转换效率高，比如典型的808 nm高功率激光的最高电光转换效率可以高达65%以上[1]，与之成为鲜明对照的是，CO2气体激光的能量转换效率仅有10%，而采用传统灯光泵浦的固态激光的能量转换效率更低, 只有1%左右；2）体积小。

一个出射功率超过10 W 的半导体激光芯片尺寸大约为mm3, 而一台固态激光更有可能占据实验室的整整一张工作台；3）可靠性高，平均寿命估计可以长达数十万小时[2]；4）价格低廉。

半导体激光也同样遵从集成电路工业中的摩尔定律，即性能指标随时间以指数上升的趋势改善，而价格则随时间以指数形式下降。

正是因为半导体激光的上述优点，使其愈来愈广泛地应用到国计民生的各个方面，诸如工业应用、信息技术、激光显示、激光医疗以及科学研究与国防应用。

随着激光芯片性能的不断提高与其价格的持续下降，以808 nm 以及9xx nm为代表的高功率激光器件已经成为激光加工系统的最核心的关键部件。

高功率激光芯片有若干重要技术指标，包括能量转换效率以及器件运行可靠性等。

器件的能量转换效率主要取决于芯片的外延结构与器件结构设计，而运行可靠性主要与芯片的腔面处理工艺有关。

本文首先简要综述高功率激光的设计思想以及腔面处理方法，随后展示深圳清华大学研究院和深圳瑞波光电子有限公司在研发808nm高功率单管激光芯片方面所取得的主要进展。

2.高功率激光结构设计图1. 半导体激光外延结构示意图图2. 外延结构以及与之对应的光场分布图3. 量子阱限制因子与SCH层厚度之间的关系图4. 光束发散角与SCH层厚度之间的关系图1给出了一个典型的基于AlGaAs材料的808 nm半导体激光外延结构示意图，由其可见，外延结构由有源区量子阱、AlGaAs波导以及AlGaAs包层材料组成，在材料选取上包层材料的Al 组分要高于波导层材料的Al组分，以保证在材料生长方向形成波导结构，即材料对其中的光场有限制作用（见图2）。

光学设计技术在激光器中的应用激光器作为一种高度集成的光学仪器，其光学设计技术的水平直接影响着激光器的性能和稳定性。

因此，光学设计技术成为了激光器工程师们必须熟练掌握的技能之一。

本文将会介绍一些光学设计技术在激光器中的应用，具体包括：激光器光学系统的设计、光束质量的优化、激光器的耐损伤性设计。

激光器光学系统的设计激光器的光学系统设计是整个激光器设计中最为重要的一环，因为它直接决定了激光器的输出功率和波长等参数。

激光器光学系统的基本结构包括：光源、光电控制系统和输出光学系统。

在光源方面，激光器的光源种类目前有很多，包括CO2激光器、半导体激光器、钕玻激光器等等。

每种不同的光源都需要有相应的光学系统设计才能发挥它们的最佳性能。

在光电控制系统方面，主要是对光源性能和输出光学系统进行调节和控制。

在输出光学系统方面，主要是对光束进行整形、调节和成形。

激光器光学系统的设计需要非常精细的计算和仿真才能达到理想的效果。

例如，对于某些用于科学研究的激光器来说，其对输出光束的要求非常高。

光束的稳定性、强度和波长调制等参数必须达到相当高的水平才能满足实验需求。

光束质量的优化在实际应用中，光束的质量无疑是激光器的重要性能指标之一。

光束质量指标可以通过以下参数来评估：波前畸变、光束直径和光束散角等。

波前畸变是指光束通过光学系统后产生的畸变。

波前畸变可能由非均匀物质、光束散角和光学器件中的光学缺陷引起。

波前畸变的严重程度会影响到激光器功率的损失和输出光束的质量。

光束直径是指在一定距离范围内的光束最小截面直径。

光束直径会影响到激光器的耗能以及输出功率。

光束散角是指光束从其中心线偏离的最大角度。

光束散角直接影响到激光器输出功率和光束的扩散角度。

优化光束质量的方法可以通过使用精密设备在激光器的光路中安装正确的光学器件，以减少或消除波前畸变。

同时，调整激光器内光学器件的位置和数量，以优化光束直径和散角，可以大幅提高光束的质量。

激光器的耐损伤性设计激光器的光波长、能量和持续时间会对激光器内部的光学器件产生损伤。

半导体光学是一门研究以半导体材料为基础的光学技术的学科。

它研究利用半导体材料的特性来设计、制造和应用光学元件，以及研究半导体光子学。

半导体光学技术的发展可以追溯到20世纪50年代，当时研究者开发出了半导体激光器，这是第一个基于半导体材料的光学元件。

半导体光学技术的发展使得能够利用半导体材料的特性，设计和制造出各种光学元件，从而实现各种光学功能。

例如，可以利用半导体材料的发光特性，设计和制造出激光器、发光二极管、光敏电阻器等。

另外，半导体材料的吸收特性也可以用来制造光学元件，如滤光片、窗口等。

此外，半导体光学技术也可以用于研究半导体光子学，如量子点、量子线、量子层等。

这些研究结果可以用于设计和制造新型的光学元件，如量子点激光器、量子线激光器等。

因此，半导体光学技术是一门具有广泛应用前景的学科，它可以用来设计和制造各种光学元件，也可以用来研究半导体光子学，从而实现新型光学功能。

半导体光学技术的发展也为更多新型光学应用提供了可能性。

例如，可以利用半导体材料的发光特性，设计和制造出更小型、更轻巧的光学元件，从而实现更多的光学功能。

此外，半导体光学技术也可以用于研究新型的光学系统，如光纤通信系统、光学显示器等。

此外，半导体光学技术还可以用于制造特殊的光学元件，如微型的激光器、光学滤波器、光栅等，以及用于生物医学检测的光学元件，如激光扫描显微镜、激光分子镜等。

总之，半导体光学技术的发展为更多新型光学应用提供了可能性，它可以用来设计和制造更小型、更轻巧的光学元件，以及研究新型的光学系统，并可以用于制造特殊的光学元件，为光学应用提供新的可能性。

引言光纤传感器自20世纪70年代以来，以其具有的灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、安全可靠等特点取得了飞速的发展。

同时，这些特性也使它可以实现某些特殊条件下的测量工作，比起常规检测技术具有诸多优势，是传感技术发展的一个主导方向。

作为光纤传感器中关键的光学元件之一的光源，其稳定度直接影响着光纤传感器的准确度。

本文所涉及的光纤传感器采用的是半导体激光器光源，半导体激光器具有单色性好、方向性好、体积小、光功率利用率高等优点，但是，光功率输出受外界环境变化的影响较大。

因此，本文针对半导体激光光源的工作原理和特性，设计了一种简单可行的自动功率控制(APC)驱动电路，通过背向监测光电流形成反馈，实现恒功率控制。

并且，引入了慢启动电路，防止电源电压的干扰，使激光器不会受到每次开启电源时产生的过流冲击，延长了激光器的使用寿命。

经实验验证，该电路解决了激光器在使用中输出功率不稳定的问题，其稳定度优于0.5%，达到了较好的稳流效果。

1 光源的工作原理和特性目前，实际应用的光源有表面光发射二极管(LED)、激光二极管(LD)、超辐射二极管(SLD)、超荧光光源(SFS)等。

随着光纤传感技术的迅速发展，体积小、质量轻、功耗小、容易与光纤耦合的LD等半导体光源应用越来越广泛。

本文主要研究半导体LD的驱动设计。

1.1 LD发光机理分析LD的基本结构为：垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里-珀罗谐振腔，它们可以是半导体晶体的解理面，也可以是经过抛光的平面。

其余两侧面则相对粗糙，用以消除主方向外其他方向的激光作用。

当半导体的PN结加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为λ的光子，其公式λ=hc/Eg， (1)式中 h为普朗克常数;c为光速;Eg为半导体的禁带宽度。

如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。

光学系统设计光学系统设计是一项复杂而重要的任务，它涉及到光学元件的选择、布局和优化，以及系统参数的确定和调整。

在光学系统设计中，考虑到的因素有很多，包括光源的特性、光学元件的性能、系统的限制等等。

本文将探讨光学系统设计中的一些关键问题，并介绍一些常见的方法和技巧。

首先，光学系统设计的第一步是电磁波的传播。

光学系统中的光源发出一束光线，光线在经过各种光学元件（如透镜、棱镜、反射镜等）后，最终到达像平面上。

而光线的传播遵循光的物理定律，如折射、反射、散射等。

因此，在光学系统设计中，需要对光线的传播进行准确的建模和计算。

在光学系统设计中，光学元件的选择和布局是非常重要的。

不同的光学元件有不同的功能和特性，如透镜用于聚焦、反射镜用于反射等。

根据系统的需求，需要选择合适的光学元件，并合理地布局它们，以实现系统的设计目标。

例如，如果要实现高分辨率的成像，可以选择高质量的透镜，并将其放置在适当的位置。

除了光学元件的选择和布局，光学系统设计还需要考虑系统的性能和限制。

例如，光学系统的分辨率、灵敏度、动态范围等参数对系统的性能有很大的影响。

因此，在光学系统设计中，需要进行系统参数的确定和调整，以实现设计要求。

这可以通过优化方法，如遗传算法、粒子群算法等来实现。

在光学系统设计中，光源的选择也是非常重要的。

光源的特性直接影响了光线的传播和成像质量。

根据不同的应用需求，可以选择不同类型的光源，如激光器、LED等。

同时，还需要根据系统的设计要求，合理选择光源的参数，如波长、功率等。

最后，在光学系统设计中，需考虑到光学系统的误差和校准。

在实际应用中，光学系统存在一些误差，如光学元件的偏差、噪声、散射等。

这些误差会导致成像质量下降，因此，需要对光学系统进行校准。

校准可以通过相机标定、反射板法等方法来实现，以提高系统的精度和稳定性。

综上所述，光学系统设计是一项复杂而重要的任务。

在设计过程中，需要考虑到光线的传播、光学元件的选择和布局、系统的参数和限制、光源的选择、系统误差和校准等。

近点距 (cm)
-7 -10 -14 -22 -40 -200 100 40
远点距 （cm)
200 80 40
A=R-P (屈光度)
14
10
7
4.5 2.5 1
0.2 5
0
人眼的适应
眼睛能适应不同亮暗环境的能力称为适应。
适应可分为明适应和暗适应。前者发生在 由暗处到亮处时，适应时间大约几分钟； 后者发生在由亮处到暗处时，适应时间大 约30-60分钟。
图6-7 HG500发光二极管的配光曲线
4．光源的温度和颜色
任何物体，只要其温度在绝对零度以上，就向外界发出辐射，称为
温度辐射。黑体是一种完全的温度辐射体，其辐射本领 Mb ,T 表示为
：
M b
,T
M ,T ,T
式中，M
,T
de ddA
为辐射本领； ,T 为吸收率，当 ,T 1 时的物体称
被测 对象
光学系统 光学系统
光电探测器 光源
调理电路
作用：将光束变成平行光束、发散光束、 会聚光束或其他形式结构的光束
控制电路
计算机 显示与控制
现代光学仪器构成框图
❖光学系统的特点： ❖1、信息加载于光波，非接触、不破坏 ❖2、光波传播速度快，可实时测量控制 ❖3、波长短，测量精度高 ❖4、具有很高的空间分辨率 ❖5、可进行图像处理
一、光源的基本参数
1．发光效率
在给定的波长范围内，某一光源所发出的光通量
与产生该光通量所
V
需要的功率P 之比，称为该光源的发光效率，表示为:
V
2 d
1
P
P
（6－8）
式中，1 ~ 2 为该光电测量系统的光谱范围。

半导体激光器工艺半导体激光器工艺：发展、应用与挑战一、半导体激光器简介半导体激光器，也称为二极管激光器，是一种基于半导体材料激发特定波长光子的光电子器件。

自1960年代问世以来，半导体激光器以其高效、小型、灵活的特性在众多领域取得了广泛应用。

这些领域包括通信、显示、消费电子、生物医疗等。

二、制作材料与器件结构半导体激光器的制作材料主要包括三五族化合物，如GaAs（砷化镓）、InGaN（氮化铟镓）等。

这些材料具有直接带隙结构，便于实现高效的载流子注入和辐射复合。

器件结构方面，半导体激光器通常采用二极管结构，由两个端面反射镜和一个有源区组成。

有源区通常包含一个或多个量子阱，用于提供载流子并产生光子。

反射镜则用于形成共振腔，确保光子能在其中反复振荡并最终从输出端释放。

三、制造工艺流程半导体激光器的制造工艺流程包括以下几个阶段：1. 材料生长：通过液相外延、分子束外延等手段生长高质量的半导体材料；2. 制程工艺：在生长好的半导体材料上刻蚀微结构、镀膜等，以实现器件的特定功能；3. 测试与评估：对制作好的半导体激光器进行电学、光学性能的测试与评估，筛选合格的产品。

四、技术原理和特点半导体激光器的工作原理基于PN结的注入锁定效应。

当电流通过PN 结时，载流子从P区注入N区，通过外部反馈系统形成正反馈，使电流进一步增加。

当电流超过阈值时，载流子在PN结处产生光子，形成激光输出。

与其他类型激光器如气体激光器、光盘激光器相比，半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、速度快等优点。

同时，由于其直接输出光的特性，半导体激光器还具有无需光学系统进行转换或放大等优势。

五、应用领域和案例分析半导体激光器的应用领域非常广泛。

在通信领域，半导体激光器被用于光纤通信中，作为泵浦源或信号源。

在显示领域，半导体激光器可以用于制造高亮度、高分辨率的显示器。

在消费电子领域，半导体激光器被用于CD、DVD等光盘驱动器和激光打印机等设备。

以光纤通信为例，半导体激光器作为泵浦源，能够将能量转化为光能，并通过光纤传输到远端。

Ｄ ４ ０ ０μ ｍ ， Ｎ Ａ＝ ０ ２ ２ ， 其内部包含的模数非常 １＝ 大， 其出射光完全可以用几何光学近似处理。所 以在此种情况下， 光纤完全可以实现对激光光束 的匀光处理。 鉴于跟踪测量系统所选用探测相机的波段需 要， 所选用半导体激光器功率为 ０ ５ ０Ｗ 连续线 性可调， 工作波段为（ ８ ０ ８ʃ ３ ）ｎ ｍ ， 并支持远端自 动控制。 ２ ５ｋ ｍ 不同远近处目标， 系统 为保证对 ０ 的照明区域均为直径为 １ ０ｍ的圆形区域， 激光光 源经照明光学系统后其发散角度 θ应为 ２ｍ ｒ ａ ｄ （ ５ｋ ｍ ） ５ ０ｍ ｒ ａ ｄ （ ０ ２ｋ ｍ ） 可调。系统的最小发 散角度 θ 共同确 ５ｋ ｍ由光纤直径 Ｄ １与系统焦距 ｆ
１ ４ ］ 和Ｅ ｌ ｖ ｉ ｓ ｓ 激光主动成像系统等 ［ 。同时， 国内外
对激光主动照明技术的研究主要集中在距离选通 技术及探测距离等领域， 并未对不同照明距离处 照明亮度的一致性及均匀性的问题进行分析， 而 从目前激光主动成像系统来看， 存在目标照度不 均匀及照度动态范围过大的问题
［ １ ４ ］
激光光源直接输出的光功率密度为高斯分 布， 需要进行匀光处理， 使用传统光棒匀光混合效 果不佳， 且光功率损耗比较大。光纤具有可弯曲、 可多光纤合束、 可长距离传输、 光功率损耗低等诸 多优点， 故选取光纤作为激光混光和中继传输器
１ ４ ］ 件［ 。本文采 用 多 模 石 英 光 纤， 纤芯直径径为
Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎｏ ｆ ｌ ａ ｓ ｅ ｒａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅｉ ｌ ｌ ｕ ｍｉ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
Ｌ Ｉ ＵＴ ａ ｏ ，Ｈ ＵＹ ｕ ｅ ，Ｄ Ｏ Ｎ ＧＪ ｉ ａ ｎ ，Ｓ Ｈ Ｅ ＮＪ ｕ ｎ ｌ ｉ

半导体激光器的原理及应用论文半导体激光器是使用半导体材料作为激光活性介质的激光器。

其工作原理主要是通过半导体材料中的电子与空穴的复合过程产生光辐射，然后通过光放大与反射来形成激光输出。

半导体激光器具有小体积、高效率、快速调谐和易集成等特点，广泛应用于光通信、激光雷达、光储存等领域。

半导体激光器的基本结构包括激活区、pn结以及光反射与光增强结构。

激活区是半导体材料的核心部分，通过电流注入产生电子空穴复合过程来产生光辐射。

pn结是半导体激光器的结电阻，通过透明导电薄膜使电流从n区流入p区，进而在激活区形成电子空穴复合。

光反射与光增强结构包括反射镜和波导，用于增加激光器输出的光强度与方向性。

半导体激光器具有广泛的应用领域。

在光通信领域，半导体激光器被广泛用于光纤通信和光纤传感器系统。

半导体激光器通过调制光信号，可以实现高速传输，并且具有高能效和稳定性。

在激光雷达领域，半导体激光器用于提供高亮度、窄线宽和快速调谐的激光源，用于实现高分辨率的距离测量和目标识别。

在光储存领域，半导体激光器用于光盘、蓝光光盘等储存介质的读写操作，具有高速、高信噪比和长寿命等特点。

近年来，半导体激光器的研究重点主要是提高其性能和功能。

例如，通过调制技术可以实现高速调制，将半导体激光器应用于光通信的需要；通过外腔技术可以实现单纵模输出，提高激光的空间一致性和色散特性，扩展其应用领域；通过量子阱技术可以实现更高的量子效率和辐射效率，提高激光器的功率和效能。

总之，半导体激光器作为一种重要的激光器件，在光通信、激光雷达、光储存等领域具有广泛的应用前景。

随着相关技术的不断发展与进步，半导体激光器的性能与功能将得到进一步的提升，为相关领域的应用带来更多的机遇和挑战。

加速器物理与技术
许州*研究员、黎明 研究员、杨兴繁 研究员、李正红 研究员
研究先进的新型强流电子束产生和加速技术，开展强流电子束二极管理物理、新型强流束加速腔设计技术方面的研究工作。
射线辐射成像技术及应用
许州 研究员、陈浩 副研究员
探索先进的加速原理、研究加速器物理设计、研究加速结构的设计技术。研究先进的加速器物理概念、系统理论和基本物理规律；研究高亮度电子源技术、超导加速器的关键单元技术和系统实验技术；研究能量回收加速器的原理与技术；研究先进的带电粒子束流高精度诊断技术等。
金晓*研究员、孟凡宝*研究员、陈洪斌 研究员
基于电真空器件的太赫兹产生、传输、发射和测量技术。
复杂电磁环境技术
孟凡宝*研究员、马弘舸 研究员
复杂电磁环境基础理论与数值模拟、构建与测试、效应实验评估与对抗等技术。
光学工程
080300
高能激光系统技术与应用
杜刘军 研究员
高能激光系统先进概念和系统理论；高能激光系统总体技术、先进的关键单元技术和系统实验技术，高能激光的传输及气动光学技术；激光束时间、空间分布参数诊断技术以及光学系统参数超高精度诊断与光学检测新技术。
光束控制与目标探测技术
张卫*研究员、叶一东*研究员、万敏 研究员、向汝建 研究员
光束控制和目标探测两个方面。研究光束控制和自适应光学的现代光学前沿技术；研究主动和被动高分辨率目标探测、识别技术。
重复频率高功率脉冲功率源技术，强流相对论电子束产生与传输技术，高功率微波（毫米波）的产生、传输、发射、测量、真空及高功率微波应用技术。
高功率微波与物质的互作用
金晓*研究员、范植开*研究员、孟凡宝 研究员、马弘舸 研究员、闫二艳 副研究员
高功率微波与物质相互作用的机理、评估方法、仿真技术和实验技术。

激光光学系统的设计与优化随着科技的发展，激光技术在军事、医疗、工业等领域日益广泛地应用。

而激光光学系统作为激光技术的核心组成部分，其设计和优化将直接影响到整个激光系统的性能和使用效果。

本文将从激光光学系统的设计和优化两个方面进行探讨。

一、激光光学系统的设计1. 激光谐振腔的设计激光谐振腔是激光器的核心部件，其设计直接影响激光器的性能和输出功率。

在进行激光谐振腔的设计时，首先要确定激光器的工作波长和输出功率。

然后，利用计算机仿真软件进行光学路径的设计和优化，同时考虑激光谐振腔的稳定性和优良的模式。

2. 光学元件的选择和布局激光系统中的光学元件主要包括激光输出耦合镜、激光调制器、波片、棱镜、透镜等。

在进行光学元件的选择时，要考虑其光学性能、成本和可靠性。

在确定光学元件后，就要对其布局进行优化，以达到最佳的光学传输效果。

3. 控制电路和软件的设计激光系统的控制电路和软件是保证激光系统正常工作的关键。

在进行设计时，要充分考虑激光系统的稳定性和可靠性，并且要合理地分配资源，以最大化激光系统的效率和可靠性。

二、激光光学系统的优化1. 衰减和滤波措施激光光学系统在工作过程中，容易受到环境噪声的干扰。

为了减少干扰，需要采取一系列的衰减和滤波措施，比如使用光学滤波器，加装隔离器等。

2. 稳定性和可靠性的提高激光系统在工作过程中，容易受到环境的影响，从而导致系统的稳定性和可靠性下降。

为了提高系统的稳定性和可靠性，需要采取一系列的措施，比如使用高质量的光学元件，加装防抖器等。

3. 分析和优化数据在激光光学系统的设计和优化中，需要对系统的性能和参数进行实时监测和分析。

通过对数据的分析和优化，就可以不断地提高系统的性能。

综上所述，设计和优化是激光光学系统中至关重要的环节。

通过对激光谐振腔的设计、光学元件的选择和布局、控制电路和软件的设计、衰减和滤波措施、稳定性和可靠性的提高、以及对数据的分析和优化，可以不断地提高激光光学系统的性能和使用效果。

半导体激光器与固体激光器旳比较
半导体激光器和固体激光器都是以固体激光材料作为工作物质旳激光器 ； 半导体激光器是电鼓励，直接把电能转化为光能，转换效率高达50%以上。固体激光器是光
鼓励，激活粒子需要吸收光能，然后产生受激振荡；半导体泵浦转化效率一般在15%左右， 灯泵浦鼓励一般在4%左右。 半导体激光器旳主要特点是:体积小、重量轻；功率转换效率高；能够经过变化温度、掺杂量、 磁场、压力等实现调谐；其缺陷是激光旳发散角较大，单色性较差，输出功率亦较小。目前 新型旳半导体激光器已经能够到达较大旳输出功率，而为了得到更大旳输出功率，一般能够 将许多单个半导体激光器组合在一起形成半导体激光器列阵，即在同一片已做好旳P一N结旳 基片上，用光刻腐蚀措施提成好几种单个器件，或将许多单个激光器排列成一定形状，然后 将它们并联或串联起来。目前已经有100WQCW线阵和s000WQCW叠阵(波长780~815五m)旳 产品上市。 固体激光器可作大能量和高功率相干光源。红宝石脉冲固体激光器旳输出能量可达千焦耳级。 经调Q和多级放大旳钕玻璃激光系统旳最高脉冲功率达10瓦。钇铝石榴石连续激光器旳输出 功率达百瓦级，多级串接可达千瓦。固体激光器利用Q开关技术(电光调制)， 固体激光器能 够得到纳秒至百纳秒级旳短脉冲，采用锁模技术可得到皮秒至百皮秒量级旳超短脉冲。因为 工作物质旳光学不均匀性等原因，一般固体激光器旳输出为多模。若选用光学均匀性好旳工 作物质和采用精心设计谐振腔等技术措施，可得到光束发散角接近衍射极限旳基横模(TEM00) 激光，还可取得单纵模激光。
半导体激光器旳应用
• 在医疗和生命科学研究方面应用：
1. 激光手术治疗。半导体激光已经用于软组织切除， 组织接合、凝固和气化。一般外科、整形外科、皮肤 科、泌尿科、妇产科等； 2. 激光动力学治疗。将对肿瘤有亲合性旳光敏物质有 选择旳汇集于癌组织内，经过半导体激光照射使癌组 织产生活性氧，旨在使其坏死而对健康组织毫无损害； 3. 生命科学研究。使用半导体激光旳“光镊”，能够 捕获活细胞或染色体并移至任意位置，已经用于增进 细胞合成、细胞相互作用等研究。

基于 ZEMAX的半导体激光器匀光设计黄珊;邓磊敏;杨焕;段军【摘要】In order to meet the beam homogenization application requirements of laser diodes , a beam homogenization shaping systemwas designed with ZEMAX optical design software .A collimation system composed of aspheric lenses and inverted cylindrical lenses telescope system was used to get a circular Gaussian beam . On the basis of deducing homogenization projection radius of fundamental mode Gaussian beams , the two-aspheric lens homogenization system was optimized with ZEMAX .The whole system can obtain a circular spot with energy uniformity over 96% at a large range . Meanwhile , the beam homogenization of high power optical fiber couple module was realized , which satisfied the needs of high uniformity in applications .This research provides an effective way for the homogenization applications of laser diodes .%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。

《高功率980 nm半导体激光器外延结构设计及其性能研究》篇一一、引言随着科技的飞速发展，高功率半导体激光器在科研、工业和日常生活等领域中得到了广泛应用。

980 nm波长的半导体激光器在光通信、激光打印、医疗及科研等方面具有重要意义。

外延结构作为半导体激光器的核心部分，其设计直接关系到激光器的性能。

因此，本篇论文将重点研究高功率980 nm半导体激光器的外延结构设计及其性能。

二、外延结构设计1. 材料选择高功率980 nm半导体激光器的外延结构主要采用InGaAsP 材料系统。

该材料系统具有优秀的电光性能和热稳定性，适合于高功率激光器的制备。

2. 结构层设计外延结构主要由以下部分组成：底层的n型层、中间的光波导层以及顶层的p型层。

在n型层和p型层之间，通过量子阱技术实现光子的产生和放大。

此外，为了满足高功率输出的需求，还需设计合理的热沉结构，以降低激光器在工作过程中的热效应。

3. 生长技术外延结构的生长主要采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术。

该技术具有生长速度快、结构质量高、操作灵活等优点，可实现精确控制材料成分和厚度，从而达到设计目标。

三、性能研究1. 光学性能经过实验验证，设计的高功率980 nm半导体激光器外延结构具有优异的光学性能。

其发射波长稳定在980 nm左右，具有较高的光功率输出和较低的阈值电流。

此外，该结构还具有较高的光束质量和较低的发散角。

2. 电学性能在电学性能方面，该外延结构表现出良好的电流传输特性。

其电阻率适中，使得激光器在工作过程中能够保持稳定的电流输出。

此外，其较低的串联电阻有助于提高激光器的能量转换效率。

3. 热学性能针对高功率激光器在工作过程中产生的热量问题，该外延结构通过优化热沉设计，有效降低了热效应对激光器性能的影响。

实验结果表明，该结构具有良好的热稳定性和较低的热阻抗，有利于提高激光器的长期稳定性和可靠性。

四、结论本论文研究了高功率980 nm半导体激光器的外延结构设计及其性能。

７ ４
研制与开发
带形 成大 量 的 电子一 空穴 对 而实 现 的 ，也可 以 由光
１６ｎ 的 激光 ，再 经 过非 线 性 晶体 的倍 频 作 用 就 ０４ ｍ 可 以产 生 ５２ ｍ 的绿 色 激 光 。 绿 光模 组类 似 于 电 ３ｎ 子元 件 中 的集 成 电路 ，具 有 模 块 化 、集 成 化 的 特
的 概率 是相 同 的。如 果 考虑 含 有 大量 电子 的系 统 ， 在 热平 衡状 态下 电子按 能量 分 布是遵 从 费米一 狄拉 克 分 布 ， 能级 占有 的 电子 数 比低能级 的电子数 少 ， 高
因此总的效果是光被吸收。当给系统供给能量以实 相干激光输出的装置 半导体激光器从最早 的提 出设想 ，到 １５ 年 现 分 布反转 则产 生净 的光辐 射 而获得 光放 大 ，此 即 ９８ Ｓ ｃ ｏｗ— Ｔ ｗ ｅ 建 立激光 器 的基本理 论 ，直至 激 光作 用 的基本 原理 。 ｈｗａ ｌ ｏ ｎｓ 半 导体 中的反转 分布是 由价带 的 电子激发 到导 １６ 最早 的半导 体激 光器 Ｇａ 激光器 中观 察到 ２年 ９ Ａｓ
容 易而在半 导体 激光 束准 直领 域 获得较 多的应 用。
关 键词 半 导体 激光 器 准直 激光扩 柬镜
引
言
半 导体激 光器 具有体 积小 、发 光效 率高 、结构
低 温 脉 冲激 射 并 于 １７ 完 成 室温 连 续 激射 ，人 ９０年 们 为半导 体激 光器 的诞 生和发 展进 行各 种不 懈 的努 力 ，现在 ，作 为典 型光 电子器 件 ，半导 体激 光器 已
简单、 可高速直接调制 、 调制频率高 、 可靠性能好、 使用寿命长等特点 ，它被认为是最具有发展前途 的 几件激光器之一 ，它的应用 日益增长 ， 并有希望替 代许多气体激光器的应用 ，然而与其它激光器相比 较 ，半 导体檄光 器 发 出激 光发 散角度 很大 ，并且 是

多功 能 测 头光 学 系统设 计
赵念念 ， 朱凌建 ， 赵敏 ， 黄秋 红
（ 西安理工大学 机械与精 密仪器工程学院 ， 陕西 西安 ７０４ ） １０ ８
摘要 ： 出了一种 用 于三 坐标 测量机 的新型 多功能 测头 ， 绍 了多功能 测头光 学 系统 的设计 思路 ， 提 介
分析 了光路 中光 学元 件 的作 用 ， 算 了光学元件 主要参 数 ， 计 并进 行 了多功 能测 头的 实验验 证 。大量 实验 结果表 明 ， 该测 头经过标 定 ， 光跟踪 瞄准 重复性测 量的 不确定度 在 ±１ ｍ 以 内， 激 激光跟 踪 瞄
准被 测 曲面倾 角可以达到 ３ 。 能 满足 三 坐标 测量机 的使 用要 求 ， ０， 同时也 可 以用 于其 它测 长仪 器对
自由 曲面进行 快速精 确的 瞄准 以及 对零件轮 廓 的 图象法测量 。
关键 词 ：光 学 系统 ；电荷耦合 器件 （ Ｃ ；半导体 激光 器 ；两 象限硅 光 电二 极 管 Ｃ Ｄ）
中图分类号 ： Ｈ １ Ｔ ７ 文 献标 志码 ： Ａ
Ｄｅ ｉ ｎ ｆＯｐ ｉａ ｙ ｔｍ ｏ ｕ ｆｆ ｎｃ ｉ ｎａ ｔ ｃ ｏ ｓｇ ｏ ｔｃ ｌＳ ｓｅ ｆ ｒ Ｍ ｌ ｕ ｔｏ ｌＤ ｅ ｔ ｒ ｉ ｅ
Ｚ Ａ ｉ —ｉ ，Ｚ ｉｇｊ ｎ Ｚ Ａ ｉ ， Ｕ Ｎ ｉ－ｏ ｇ Ｈ Ｏ Ｎａ ｎａ ｎ ｎ ＨＵ Ｌｎ －ａ ， Ｈ Ｏ Ｍ ｎ Ｈ Ａ Ｇ Ｑ ｕｈ ｎ ｉ
Ａｂｔａ ｔ Ａ ｎ ｗｍｕ ｉ ｎｔ ｎ ｅ ｃ ｒ ｐ ｌ ｄｔ Ｃ ｏｄ ａ ａｕ ｎ ａｈｎ Ｃ ｓｒｃ ： ｅ ｌ ｕ ｅ ｏａ ｄ ｔ ｔ ｐｉ ｏｒｉ ｔ Ｍｓ ｒ ｇＭ ｃ ｉｅ（ ＭＭ）ｉ ｄｓｒ ｅ ｔ ｆ ｉ ｌ ｅ ｏａ ｅ ｏ ｎｅ ｉ ｓ ｅｃ ｂｄ ｉ

半导体激光器工作原理及基本结构一、工作原理1.荷豆模型在半导体材料中，价带中的电子和导带中的空穴之间存在禁带。

当在半导体材料中施加电压时，使得导带的电子与价带的空穴之间发生复合，释放出能量。

这些能量释放的过程称为辐射复合，可以产生光子。

2.PN结PN结由P型材料和N型材料构成。

当外加正向偏压时，电子从N区向P区移动，空穴从P区向N区移动。

当电子与空穴发生复合时，会释放能量并产生光子。

这个过程叫做受激辐射。

3. 双异质结狭缝结Laser腔双异质结狭缝结Laser腔是半导体激光器中的关键部分。

它由N型半导体、无掺杂半导体和P型半导体构成。

在P区和N区之间有一个高折射率的无掺杂材料，形成光学腔。

当电流通过激光器时，光子在光学腔中来回多次反射，产生受激辐射，形成激光。

二、基本结构1.顶部光输出窗口顶部光输出窗口是半导体激光器的光输出口，通常由透明的材料制成，如薄膜或外延层。

光通过这个窗口从激光器中输出。

2.激光腔激光腔由双异质结狭缝结Laser腔和P-N结构构成。

当电流通过激光器时，光子在激光腔中来回反射，形成激光。

3.P-N结P-N结由P型半导体和N型半导体构成。

当电流通过P-N结时，激活材料中的电子和空穴，使它们受到激发并产生光子。

4.底部反射镜底部反射镜是反射激光的组件。

它通常由金属反射镜或布拉格反射镜构成，用于增强激光的反射。

除了这些基本结构外，半导体激光器通常还包括P-N结电极、N阳极和P阴极等组件，用于正向偏压激活P-N结并控制电流流动。

总结起来，半导体激光器的工作原理是基于半导体材料的光电特性和电子激发，通过PN结和双异质结狭缝结Laser腔的相互作用来产生激光。

其基本结构包括顶部光输出窗口、激光腔、P-N结和底部反射镜。

半导体激光器具有技术成熟、小型化、高效率和易于集成等优点，是现代光子学和信息技术中不可或缺的重要器件。