基于ZEMAX的半导体激光准直仿真设计

摘要：为了压缩905nm 的半导体激光， 以用于远程测距， 采用几何光路原理， 设计了由两个相互垂直的椭圆柱面透镜组成的准直系统， 并在 ZEMAX 软件的非序列模式下实现仿真半导体激光器快慢轴的初始发散角为30°和15°， 经过柱面透镜后， 半导体激光器两个方向的发散角都大大压缩；经准直后， 激光束的快慢轴发散角分别为 4. 4mrad 和3. 6mrad， 基本满足了远程测距的要求 结果表明， 椭圆面柱透镜对半导体激光有很好的准直作用。

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［1- 2］， 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［3- 4］ 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［5- 8］ 作者主要采用椭圆面柱透镜［9- 10］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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