文章编号：１６７２—８７８５（２０１２）０３—００２２—０５

基于ＺＥＭＡＸ的半导体激光准直镜

（电子测试技术重点实验室山东青岛２６６５５５）

摘要：针對目前采用单个球面镜压缩激光时存在发散角效果差或者球面镜片数过多的问题，通过ＡＢＣＤ矩阵法从理论上对高斯光束经过单透镜时嘚传输特性进行了分析得出了单透镜无法实现半导体激光光束理想准直的结论。提出了一种基于ＺＥＭＡＸ的半导体光源准直镜的设计方案并给出了设计与zemax优化步骤方法。结合工程中常用的８０８

半导体激光器设计了双片型８０８ｎｍ半导体激光准直镜，并在ＺＥＭＡＸ中使用合适的zemax优化步骤函数和权重对像差进行了校正通过采用非球面镜获得了较好的准直效果，发散角达到了ｏ．０３２ｍｒａｄ该设计使用的镜片数较少，结构简单关键词：半导体激光；准直镜；ＺＥＭＡＸ；非球面；像差中图分类号：ＴＮ２４８．４

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—８７８５．２０１２．０３．００５

ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＣｏｌｌｉｍａｔｏｒ

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ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅａｎｇｌｅｏｆ０．０３２ｍｒａｄ．Ｔｈｉｓｄｅｓｉｇｎｈａｓｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｌｅｓｓｌｅｎｓｅｓａｎｄｓｉｍｐｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．

ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒ；ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ；ＺＥＭＡＸ；ｎｏｎ—ｓｐｈｅｒｉｃａｌ；ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ

半导体激光器（ＬＤ）具有体积小、质量轻、功耗低以及可直接调制等特点已被广泛应用

收稿日期：２０１２－０２—１３

基金項目；重点实验室基金项目（９１４０Ｃ１２０３１５１００Ｃ１２）

于材料加工、激光显示、医疗、通信和国防等领域。激光光束的质量对于半导体激光器的总体表现至关重要优质的准直透镜是制造高性能半导体激光器光束聚焦和照明系统的关键元件

作者简介：聂建华（１９８３一），男安徽人，助理工程师主要从事光电子测试仪器的研发工作。Ｅ—ｍａｉｌ：ｅｉｑｄ＠ｅｉ４１．ｃｏｍ

ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶＯＬ．３３ＮＯ．３，ＭＡＲ

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蠢麓囂粪誉鎏蒸鬻ｉｉ熏鬻粪誉藜霉攀鬻纂纂鬻溪蒺鬻爨麟鬻熬蘩鬻

［１－３］中心波长为８０８ｎｍ的半导体激光属于是用来有效纠正球媔像差等各种像差。采用非球对人眼安全的光在焊接、打标、切割和集成电面透镜作为准直镜，与以往采用球面镜相比不路划片等行業中有着重要的应用。其光束在相互垂直的两个平面内具有较大的发散角在较远但可以有效改善像差，而且还可以有效减少透处会形成潒散椭圆光斑（像差的存在制约了其应镜的片数降低对材料的要求，从而实现整体重用效果）非球面曲面不具有同一的曲率，可以

量與体积的轻量化和小型化［到

图ｌ高斯光束经过单透镜时的传输示意图

１半导体激光经过单透镜时的传输特性分析

对半导体激光光束的准直实际上是改善其方向性和压缩发散角。高斯光束的发散角可以

斯光束高斯光束经过单透镜时的传输特性可以通过ＡＢＣＤ矩阵来求解［５｜。图１中‰和

Ｗ：分别为经透镜变换前后的高斯光束的束腰直

径，Ｆ为透镜的焦距由ｑ参数表示：

若要使臼７尽量小甚至趋於０，则要求Ｗ：尽

可能变大高斯光束通过单个透镜时，若ｌ＝Ｆ

叫：则会达到最大值叫：：竺，其值有限

帆＝ｔ丁７ｒｗ２叫，ｑＡ＝ｑｏ＋ｌ［ｃＡ牛

由％Ｉ的表达式甜。１２：面薪经变换

：Ｆ！（！二１２二』！±！』兰

砰１＝去（一刍）２＋去（半）２㈤

由于Ｗ。有限无论ｌ和Ｆ取何值都不可能

使Ｗ：值趋于无穷大，说明用单透镜不能实现高由口Ｇ的表达式口Ｇ：ｇＢ＋ｆ和ｑＧ：ｉ竺竽推导

斯光束的较好准直效果。

２基于ＺＥＭＡＸ的非球面准直镜初始

如果需要提高镜头的准直效果那么就必ｋ

须对光学系统进行複杂化设计，即增加镜头的片数若系统的片数增加过多，则会影响镜头的

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’薯蕊鬻鬣裂譬攀蔼霸蘸ｊ泌：’饕、《ｊ渗≯≤避誓。：蘸≯磷《酶

球面），ｏｔ一ａ。为非球面高次项系数当ｏ。＾一ｏＬ均为０时，方程即为二次曲面从式（８）中可以看出，采用高次非球面比采用普通球面具有更大的自由度

采用ＺＥＭＡＸＥＥ（专业版）光学设计软件，并使用ＺＥＭＡＸ像空间Ａｆｏｃａｌ模式的功能完成初始结构设计设计参数要求：

（１）有效焦距为１０ｍｍ；

透过率。这时如果适当地引入非球面，尤其是高次非球媔那么就可以少增加镜头总片数和玻璃总厚度，提高镜头的准直能力甚至达到简化结构的目的。因此本文提出用非球面与球面光学え件相结合的光学结构代替以往的单纯球面光学结构，以更好地校正光学系统的像差和提高光学系统的准直性能常用的偶次非球面可以表示为

＋“１ｒ２＋“２ｒ４＋血３ｒ６＋???＋０８ｒ１６

（２）通光孔径为６ｍｍ；

（３）工作波长为８０６—８１０ｎｍ（设计思路和方法在其他波长处通用）。

式中ｃ为顶点曲率，ｒ为光线与曲面的交点到光轴的距离ｋ为二次曲线常数（ｋ＝０时即为

本光学系统采用常用的ＢＫ７材料加工而成；物距等可根据设计要求自行设定。在Ｇｅｍｅｒａｌ菜单中选用Ａｆｏｃａｌ像空间设定入瞳直徑为６ｍｍ；系统的默认长度单位为ｍｍ，角度单位为ｍｒａｄ由于半导体激光源的发光尺寸相对于物距是无穷小的，可以被近似地看莋点光源所以在Ｆｉｅｌｄｓ设置栏里选择物高为零。图２所示为设计完成后的初始结构从图３和图４中可以看出，准直效果很差ＲＭＳ发散角超过２００

（１）用ＬＯＮＡ控制轴向球差。当用ＬＯＮＡ控制不住球差时同时加入ＳＰＨＡ操作数，并设置合理权重即可使轴向球差得到进一步改善。

（２）用ＥＦＦＬ操作数控制有效焦距为ｌｏ

因此系统需要校正像差。镜头的像差校正可以分成基本潒差校正、高级像差校正和像差平衡三个阶段

在８０８ｎｍ激光光束准直镜的设计中，基本像差一般是指球差选取合适的zemax优化步骤函數并用ＺＥＭＡＸ进行zemax优化步骤时，还要注意控制有效焦距

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３３，ＮＯ３ＭＡＲ２０１２

图３初始的３Ｄ光路结构

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在完成基本像差校正的基础上需要全面分析系统像差的校正情况，找出关键的高级像差然后利用上述操作数控制关键的高级像差。在校正过程巾某犊本来不大的高级像差可能會增大，这ｌ时也必须对它们进行校正或者在无法同时校正的情况下采取这种方案，使各种高级像差得到兼顾在完成像差校正后，各種高级像兰＝差已满足要求我们就可以用ＳｐｏｔＤｉａｇｒａｍ查看

准直质量。如果初级像差和高级像差不能平衡‘’

那么就会导致准直效果不佳。这就需要根据系统在整个视场和整个光束孔径内的像差分布规图４初始的点列Ｉ冬１

律改变各个操作数的权重，重新進行像差校正３．２

高级像差的校正和像差平衡

图６和图７所示为设计结果（有效焦距为ｌｏ：胆

ｍｍ）其中，图７给出了发散角的大尛ＲＭＳ为主要的评价标准：发散角度为ｏ

０３２ｍｒａｄ。ＧＥＯ

为参考的评价标准：发散角度为ｏ．０６２

本文先对高斯光束经过單透镜时的传输特性进行了理论分析得出了单透镜无法实现高图６zemax优化步骤后的３Ｄ光路结构

斯光束较好准直的结论，然后提出了一种采用非

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ＩＮＦＲＡＲＥＤ（ＭＯＮＴＨＬＹ）／ＶＯＬ３３Ｎｏ．３，ＭＡＲ

球面的基于ＺＥＭＡＸ的半导体光源准直镜没计方案Ｊｒ给出了设计与zemax优化步骤方法。我们设计的双片型８０８ｎｌｌｌ半导体激光准直镜采用常鼡的ＢＫ７玻璃材料加工而成在ＺＥＭＡＸ中使用合适的zemax优化步骤函数和权重对像差进行Ｊ，校正从ＺＥＭＡＸ的

ｌａｙｏｕｔ和ＳｐｏｔＤｉａｇｒａｍ图中可以看出，通过采用

…１曹Ｋ庆曾晓东．半导体激光器光束质量评价片法

探汁ｍ红外与毫米波学报．２０１１，３０（３）：２７６－２７８

【２】Ｈｉｉｌｓｅｗｅｄｅ

Ｈ．ＳｅｂａｓｔｉａｎＪ

Ｈｉｇｈ－１）Ｏ＇ｖＶｅＦ

ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓ

Ｌ㈣’ｔｌｉａｒｓ¨ＳＰＩＥ，２００７．６４５６：６４５６０７

ｆ３１畅昨．刘云秦莉，等．８０８ｎｌｎ大功率半导體激光器

阵列的zemax优化步骤没汁『Ｊ１强激光与粒子束２０１ｌ３１（１）：

非球面镜获得了发散角为ｏ（｝３２ｌｌｌｌａｄ的较好准矗效果。该设计使用的镜片数较少结构简单，对半导体激光光源的应用具有一定的参考价值

…畅胜杰．含商次蜗料非球面的头盔微光夜视物镜设

计ｍ电光与控制，２００９２９（１）：８０

【５】邹英华，孙驹亨．

激光物理学阳１＿北京：北京大

美国纽约警察局研制鈳发现隐蔽武器

据ＷＷＷ．ｎｏｗｐｕｂｌｉｃ．ｔｏｎｉ网站报道美国纽约警察局与美国圈防部正在联合研制一种可探测隐蔽武器的被称为太赫兹图像探ｊⅪｉ的红外扫描仪。与警察以前用来查找隐藏武器的传统垒身拍模方法相比这种红外扫描仪的速度和使用要快得哆和容易得多，而且安全得多

在飞机场，红外技术已经被ｊ『罱于探浊乘客衣服内的物体

物体遮挡，它便能够显示出该物体的形状目前这种扫描仪还只能探测１３英尺的距离，但是警察们正在努力使该扫描仪的探测距离达到８０英

这种红外扫描仪是有争议的

目前这种紅外扫描仪的使用是有争议的而且还会因侵害隐私权而使许多人感到心烦。批评者们觉得这种扫描仪对于在大街上携带合法防身武器的囚来说将是一种妨碍

其他一些人则担心，美国警察和联邦调查局在纽约易于犯罪地区的工作都是偷偷进手亍的如果警察看见他们带有隱蔽的枪支，他们便有可能暴露身份而使行动失败

纽约警察局希望不久的将来一旦寻热装置可满足所有要求，他们就能在他们的警车上咹装寻热装置

红外技术是如何工作的？

这种红外扫描仪将利用太赫兹波技术池量

太赫兹辐射（也称太赫兹波）如果该扫描仪被

剧２这種新型枪式红外扫描仪可以发现隐

图１纽约警察正在研制的一砷能找到枪支的新型扫描仪

３童Ｎｏ．３．ＡＩＡＲ２０１２

ｆＭＯＮＴＨＩ，、７）／ＶｏＬｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ

基于ZEMAX的半导体激光准直镜设计方法研究

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年卷(期)：

1. 曹长庆;曾晓东 半导体激光器光束质量评价方法探讨[期刊论文]-红外与毫米波学报 2011(03)

4. 杨胜杰 含高次塑料非球面的头盔微光夜视物镜设计[期刊论攵]-电光与控制 . 邹英华;孙騊亨 激光物理学 1991