郑春艳[1]2003年在《大功率半导体激光器面阵的准直和均匀化研究》文中研究说明近年来,大功率半导体激光器列阵被广泛用于泵浦固体激光器?材料加工及激光医疗等应用领域中,但由于其输出光束的质量不好,影响了它的直接应用,因此大功率半导体激光器列阵的光束整形成了人们关注的一个热点问题,国内外的研究机构对此进行了大量的研究?我们在总结国内外报导的各种整形方法的基础上,为信息产业部电子四十四所研制的大功率半导体激光器面阵设计了一个耦合光学系统,用于对Nd:YAG激光器进行泵浦?由于二元光学器件具有体积小?重量轻?易于复制?可实现多功能集成等特点,特别适用于半导体激光器列阵的光束整形,因此我们选用二元光学器件来实现耦合系统?利用半导体激光器输出的基模高斯光束可分离变量的特点,我们对面阵中各吧的两个相互垂直方向上的光束分别进行整形变换,这样整形器件可以设计成一维结构,便于实现?通过计算机辅助分析,我们具体确定出了系统中各器件的参数?为验证系统的整形效果,我们用MATLAB语言编写了仿真程序?仿真结果表明半导体激光器面阵输出的高发散?低均匀度的光场通过耦合系统的变换后能够转变成符合泵浦要求的低发散?高均匀度的光场?具体数据为:各输出光束在快轴方向的发散角为0.28o, 在慢轴方向的发散角为1.4o,输出光场在距LD面阵发射端面20cm处的面积为42×25mm2,平均波纹起伏为9.3%,可见整形效果较好?最后我们还对耦合系统的能量损耗进行了分析?计算表明,系统的能量透过率为 40%左右?
上官王聘[2]2011年在《大功率半导体激光器阵列光束整形系统研究》文中研究指明时代在进步,科技在发展。自1962年第一台半导体激光器发明,经过四十多年时间发展到了现今的大功率半导体激光器阵列。大功率半导体激光器阵列以其功率高、体积小、电光转换效率高等优点,广泛用于泵浦固体激光器、材料加工及激光光源照明等应用领域。由于其输出光束的质量不好影响了实际应用,大功率半导体激光器阵列的输出光束整形成为人们研究的一个热点问题。我们在总结国内外报道的各种整形方法的基础上,研究并设计一个光能效率高、光强均匀性好的远场主动成像照明光源。本文主要涉及采用大功率半导体激光器堆迭并进行光束整形,从而使得该半导体激光器堆迭成为主动成像的照明激光光源。本论文主要工作是回顾了国内外大功率半导体激光器光束各种整形技术,并从中采用了倾斜多高斯光束模型的光束整形方法。通过调整每束出射光线与对应的每个微柱面透镜中心的相对位移,达到改变每束光线的出射角度的目的,从而形成一个倾斜多高斯光束模型。本论文设计了基于微柱面透镜的半导体激光器阵列光束整形光学系统,并讨论了微柱面透镜的曲率半径和透镜厚度两个参数对光束整形的影响。系统在光学软件ASAP中进行了模拟仿真,该方案在10度视场角内可以达到80%以上的光能效率和85%以上的均匀性。本论文同时设计了光束整形实验,搭建了实验装置,通过数字摄像机实时反映接收屏光强分布来固定微柱面透镜阵列,最后投射到远场照明区域进行探测并获取图像。利用数学工具MATLAB对实验结果图进行验证和分析,最终的实验结果是系统在10度视场角内可以达到80%以上的均匀性。
邵晓阳[3]2011年在《大功率半导体激光器陈列光束整形》文中研究指明由于大功率半导体激光器具有体积小、重量轻、寿命长、价格低廉、耦合效率高等特点,其广泛应用于材料加工、生物医学、国防以及作为固体激光器的泵浦源等。但是半导体激光器发出的光束在快慢轴方向上具有很大的不对称性：首先,快慢轴方向光束的束腰不在同一位置上；其次,快慢轴方向光束的发光尺寸相差很大；最后,快慢轴方向光束的发散角相差很大。这些不对称性严重的限制了半导体激光器的应用,为了更好地应用半导体激光器,必须对其光束进行整形。本文中整形系统的设计以一种具体的条形半导体激光器和面阵半导体激光器为例,先利用正交的柱面透镜将光束准直并消象散,然后利用平行玻璃板对光束有偏移作用的原理对准直后的光束进行整形,最后得到了光束质量均衡的矩形光斑。论文主要包含以下几个方面的内容：首先,分析了半导体激光光束整形的背景与意义,介绍了国内外现有的整形方法并总结出各种方法的优缺点。通过对现有的整形方法的比较,提出了利用平行玻璃板整形的方法。其次,介绍了半导体激光光束整形的基本理论,包括高斯光束的性质、半导体激光的空间模式、ABCD定律以及评价光束质量的方法。经过比较,确定本文的评价光束质量的标准为光参数积。再次,本文的重点是条形半导体激光的准直与整形,文中以海特光电的LDAC1-0808-040W型号半导体激光器为原型。准直器件由正交的柱面透镜阵列组成,通过参数计算及ZEMAX优化,得到了准直透镜的具体参数。通过准直系统后,快轴方向光束的发散角由68°(光强峰值的1/e2处)变为1.459mrad(光强峰值的1屈2处),慢轴方向光束的发散角由17°(光强峰值的1/e2处)变为8.194mrad(光强峰值的1/e2处),可近似视为平行光束。利用平行玻璃板对光束的平移作用,设计出由光束分割器件和光束重排器件组成的整形系统。通过ZEMAX软件仿真,经整形系统后,光束快慢轴方向的光参数积十分接近,达到了均衡光参数积以改善光束质量的目的。最后,在面阵半导体激光器整形的设计中,以海特光电的LDAC2-0808-320W型号面阵半导体激光器为原型,通过对条形半导体激光器光束准直及整形系统的扩展及改进得到面阵整形系统。
师晓科[4]2006年在《半导体激光束整形发射系统的研究》文中指出本文综述了国内外对于半导体激光束整形技术的研究现状，阐述了研究光束整形变换的理论方法，主要包括几何光学、矩阵光学。研究了大功率半导体激光器的光束特性，采用混合厄米—高斯光束描述半导体激光的输出特性。 在此基础上提出了在半导体激光束得到准直的情况下，可使其出射光束的发射角在一定范围内根据不同需要变化，由此设计了一个半导体激光器光束整形发射系统。此系统的整形元件由柱透镜和梯度折射率透镜组成，柱透镜的作用是对光束快轴方向上的发散角进行压缩并校正象散，梯度折射率透镜的作用是对光束进行自动聚焦和实现发射角的可变。利用商用光学软件对半导体激光束进行了准直模拟，结果表明，该系统在满足光束准直的前提下，可使其发射角在很宽范围内连续变化。整形系统具有体积小、易于集成等优点。
薛常佳[5]2013年在《高峰值功率半导体激光器偏振耦合技术的研究》文中指出大功率半导体激光器由于具有制备工艺简单、输出功率大、电光效率高、可靠性好等优点,被广泛应用于军事、工业、航空、航天等关系国家竞争力的关键领域。但在激光遥控制导中,由于大气传输衰减严重,加之导弹羽姻的衰减和导弹发动机火光的干扰,要想将激光信息准确传输到导弹上,必须有理想的信噪比,因此,要求有非常高的激光功率；同时激光制导要求激光信息场光斑均匀性好；制导武器站要求激光发射机体积小；集成度高,可靠性高。目前激光遥控制导遇到的难题是：(1)单只高功率半导体激光器难以满足功率和光斑均匀性要求；(2)传统方法采用多筒发射空间耦合虽能满足大功率要求和光均匀性要求,但多筒发射空间耦合发射天线复杂,难以实现小型化和集成化。本课题基于高功率量子阱半导体激光器偏振特性,采用偏振分光棱镜进行偏振耦合,采用平凹柱面镜进行整形,采用伽利略望远系统对准直光进行扩束,最终实现能满足激光制导的大功率、光斑均匀性好、小型化、集成化要求的激光系统。同时本课题首次对大功率量子阱半导体激光器的偏振态进行研究,并且通过测试,对该型激光器的偏振参数进行确认。本课题提出的偏振耦合方案不仅工程化实现容易,同时还利用垂直交迭光场的方案弥补了半导体激光器远场光斑呈椭圆状的缺陷。
周睿[6]2007年在《半导体激光器光束准直技术研究》文中研究指明半导体激光器具有体积小、重量轻、功耗低和可直接调制等优点,在激光雷达、激光通信、固体激光器的抽运、激光泵浦、激光扫描、激光测距、激光指挥笔等方面得到了非常广泛的应用。由于半导体激光器的结构特点,使得它发出的光束在垂直于结平面方向上远场发散角和平行于结平面方向的远场发散角相差较大(在垂直和平行于结平面方向上的发散角大小分别在30°左右和10°左右)。所以在几乎所有要求较高的应用领域中,其输出光束都必须通过特殊的光学系统进行准直。柱透镜因其结构简单、材料便宜以及加工容易而在半导体激光束准直领域获得较多的应用,但普通的圆柱透镜其准直能力非常有限,为了提高柱透镜的光束准直能力,就有必要设计出更加合理和可行的结构。在本文中,针对现在对半导体激光器准直的要求作者基于利用柱透镜对半导体激光器光束准直的理论分析,设计了利用椭圆面柱透镜对半导体激光器进行光束准直的方案,对半导体激光器发出的光束经过椭圆面柱透镜的光路进行计算,并且利用Matlab对方程进行求解及计算机模拟得到最终结果。经计算表明,该系统可以将半导体激光器的发散角压缩在0.1mrad的量级。这种方法结构相对简单,设计容易且精度较高有很好的实用价值。
党云[7]2012年在《线阵型半导体激光器光束整形技术的研究》文中进行了进一步梳理半导体激光器具有体积小、集成度高、可靠性高、光电转换效率高、使用寿命长等优点，因此被广泛应用于工业生产、医疗及军事领域。但是在一些大功率应用场合，由于单个半导体激光器输出功率非常受限，往往需要将多个激光发射单元以平行分布的形式集成在一起，构成线阵型半导体激光器来提高整体的输出功率。然而，半导体激光器自身波导结构的特点，其输出光束为椭圆型分布的像散光束，激光出射光束的发散角在两个方向上也具有较大的非对称性，快轴方向光束发散角可达70°，慢轴方向光束发散角可达10°。对于线阵型半导体激光器这种对称性被放大，使得其光斑在远场分布为多个独立激光发射单元的组合形式，一般为矩形分布，这严重限制了大功率半导体激光器在许多领域的应用，因此在应用时必须通过光学整形系统对线阵型半导体激光器输出光束进行整形，实现远场光斑的矩形化，均匀光束在快轴、慢轴两个方向的光束质量。首先，本论文在查阅了国内外现有的半导体激光光束整形方法基础上，针对半导体激光器一维阵列，即线阵型半导体激光器，根据几何光学成像条件，推导了快轴准直透镜的初始结构，采用非球面平凸柱透镜准直光束快轴发散角，根据一倍望远镜原理，设计出球面柱透镜对结构对慢轴光束进行整形，打破了慢轴方向光束发散角的周期性特点，实现慢轴光束质量与快轴方向光束质量的均衡。其次，文章通过Zemax软件进行了快轴准直透镜、慢轴整形透镜以及整形系统的整体模拟，模拟结果说明，经过快轴准直透镜准直后的光束，快轴方向的光束发散角从40°压缩至小于1°，通过慢轴整形透镜的整形作用，线阵型半导体激光器光束质量在快轴、慢轴两个方向得到很好的均匀化效果。最后，以OClARO公司808-20W线阵型半导体激光器为例，进行了线阵型半导体激光器光束整形实验，通过快轴准直透镜，可以将快轴方向光束发散角从698mrad减小至-0.25mrad到0.25mrad范围之内，慢轴整形透镜可以很好的完成快轴、慢轴方向光束质量的均匀化。
朱东济[8]2011年在《大功率半导体激光器阵列远场光分布特性研究》文中研究说明半导体激光器具有结构紧凑、高亮度、效率高等优点,在科研和工程领域有极其广泛的应用,这是其它激光器无法比拟的。但是由于其非对称光波导结构,半导体激光器在垂直和平行于结平面方向上的发散角差异很大,造成出射光场复杂,给实际工程应用造成了很大的麻烦。因此在许多应用领域中,必须对光束整形以及提高耦合效率,这就需要准确地了解半导体激光器的远场光分布及其传播特性,以便更有效的利用。本论文采用了一种描述激光二极管双峰远场结构的光场模型。两个离心的高斯模型用来建立半导体激光器的波导模式,通过边界条件计算Helmholtz方程即可求得远场分布。该模型同时考虑了激光二极管垂直于和平行于结平面大发散角光束的传输特性,用计算机对单emitter、bar和stack型大功率半导体激光器进行了计算仿真,其结果与理论分析结果相吻合。论文的主要工作如下:1)对单个emitter型高功率半导体激光器的远场分布进行了数学描述与推导,并用MatLab对其垂直、平行于结平面光场进行了图形分析,最后对其远场的光强分布进行了仿真。2)以单个emitter高功率半导体激光器的光场远场分布为出发点,计算模拟bar型激光器的远场光强及相应的光斑形状。3)建立stack型激光器的空间模型,计算模拟stack型激光器的远场光强及相应的光斑形状。4)对几种高功率半导体激光器的一些缺陷,例如不发光点、smile效应进行了分析。
姜燕冰[9]2009年在《面阵成像叁维激光雷达》文中进行了进一步梳理人类对于信息捕获技术的探索是无止境的,面阵成像叁维激光雷达技术作为一种能够快捷、准确地获取大信息量叁维信息的重要技术,在军事领域、国民经济建设领域、农林生态领域等都可以得到广泛应用。而目前面阵成像叁维激光雷达还处于发展之中,其理论模型还没有建立完善,其性能尚未完全满足各方面的应用需要。本论文围绕着提高性能为主题,在面阵成像叁维激光雷达系统的噪声理论模型、高效率光学系统、叁维分辨率的相互影响等方面进行深入的研究。本文的主要研究内容和创新点如下:以典型的面阵成像激光雷达结构为基础,通过对各个工作过程中引入噪声的分析,建立以ICCD为核心探测器的面阵成像激光雷达的完整噪声模型,在此模型的基础上,分析了噪声模型对测距精度的影响,提出了面阵成像激光雷达的体分辨率概念,得到了描述面阵成像激光雷达性能的能量观点,并指出提高雷达性能的途径和研究方向。提高光学系统的效率是提高面阵成像激光雷达的性能最有效途径之一,因而着重进行这方面的研究。率先采用总相对精度作为评价函数,分析照明的光强分布对雷达性能的影响,发现在出射总能量一定时,均匀化照明能使时达到最好的总相对精度,将比整形前厄米高斯型能量分布的照明效果降低25%的总相对误差。对半导体激光器堆迭的高效率均匀化照明方法进行深入研究。提出基于倾斜多高斯模型光束的均匀化照明方案,对倾斜多高斯光束的理论进行分析,给出其平均光强解析表达式,发现这种光束在远场传播过程中可以保持平顶特性,非常适合用于远场的均匀化照明。采用时域和傅里叶频域相结合的分析方法,阐明影响该模型光束照明均匀性的参数和影响规律。提出半导体激光器光束整形成倾斜多高斯光束的光学设计方案,并在光学模拟计算中得以实现,结果显示:在现有的半导体激光器堆迭的误差失配下,该方案仍然可以达到80%的均匀性和75%以上的整形效率。提出基于混光筒的均匀化整形方案,经过光学软件的验证,其均匀性和效率分别为80%和73%。提出基于复眼透镜的均匀化照明方案,经过光学软件的验证,其均匀性和效率分别为85%和75%。研究接收光学系统对于雷达性能的影响因素,给出高效成像光学透镜和中继透镜的结构和关键参数。研制用于光纤标定用途的低成本、高可靠性的光纤耦合系统。在搭建新型面阵成像激光雷达的基础上,研究光学传递函数对于系统性能的影响。首先利用特征目标图像的刀口像法,测定系统的光学传递函数,利用测定的光学传递函数,从理论上分析点扩散函数对测距分辨率的退化作用,分析结果与实验获得的测距分辨率的实际退化相一致。通过分析,发现在现有器件的光学传递函数水平下,对城市和常见目标,进行适当的多像素binning可以有效提高测距分辨率且不降低目标在距离图像中的空间分辨率。利用多重复特征目标法,进行户外实验测定新型面阵成像激光雷达的测距分辨率在600m到1000m的选通距离内为1.6m到13.5m。发现基于强度的面阵成像激光雷达因受限于量子散粒噪声,其测距分辨率与目标距离、目标本身特性等的有关,其关系符合本文提出的面阵成像激光雷达的噪声模型。
程航[10]2018年在《温度传感器动态校准中激光光束均匀化研究》文中研究表明在温度传感器校准中,激光加热法因其温度阶跃高、上升时间快、能量利用率高等优点得到了广泛的应用。但是激光器发射的激光往往是高斯分布的,光斑内能量分布不均匀,这就会造成传感器校准精确度不高。为了改善激光质量,提高温度传感器的校准精度,本文采用微透镜阵列法对激光进行均匀化。文中分别对成像型微透镜阵列和衍射型微透镜阵列的均匀化原理进行分析,从几何光学的角度分析了均匀光斑的尺寸与系统参数的关系,证明了光斑的大小与微透镜阵列中子透镜的尺寸和傅里叶透镜的焦距成正比,在成像型微透镜阵列中光斑尺寸在一定范围内还与两微透镜间的距离成反比;从光的波动学角度分析了光场的分布情况,从理论上说明了主透镜焦平面上的光场分布与入射光束和微透镜阵列数学函数的傅里叶变换成比例。通过ZEMAX光学设计软件对成像型和衍射型微透镜均匀化系统进行仿真分析。通过对激光光束尺寸、光束发散角、子透镜尺寸和两微透镜间距离等参数分别进行仿真,对衍射型均匀化系统和成像型均匀化系统进行对比,检验两种方法中不同参数对激光光束的均匀化程度的影响。在仿真的基础上,利用微透镜阵列搭建了成像型激光光束均匀化系统。设计了楔形棱镜衰减系统将大功率激光衰减至0.6W左右,通过光束分析仪来对均匀化程度进行测试。结果显示,经过均匀化系统后激光的不均匀度约为9.3%,光斑利用率约为87.5%。另外还将直径为0.25mm的热电偶放置在傅里叶透镜的焦平面上,并测试热电偶的输出温度。结果显示均匀化前在中心处热电偶的输出温度相差比较大,这会对传感器校准产生较大的影响。然而在均匀化后两个位置处热电偶的输出温度几乎是相等的。根据传感器校准理论可以分析出,通过对激光热源的均匀化可以改善温度传感器校准的精度。
参考文献：
[1]. 大功率半导体激光器面阵的准直和均匀化研究[D]. 郑春艳. 电子科技大学. 2003
[2]. 大功率半导体激光器阵列光束整形系统研究[D]. 上官王聘. 浙江大学. 2011
[3]. 大功率半导体激光器陈列光束整形[D]. 邵晓阳. 大连理工大学. 2011
[4]. 半导体激光束整形发射系统的研究[D]. 师晓科. 长春理工大学. 2006
[5]. 高峰值功率半导体激光器偏振耦合技术的研究[D]. 薛常佳. 西安工业大学. 2013
[6]. 半导体激光器光束准直技术研究[D]. 周睿. 西安电子科技大学. 2007
[7]. 线阵型半导体激光器光束整形技术的研究[D]. 党云. 哈尔滨工业大学. 2012
[8]. 大功率半导体激光器阵列远场光分布特性研究[D]. 朱东济. 西安电子科技大学. 2011
[9]. 面阵成像叁维激光雷达[D]. 姜燕冰. 浙江大学. 2009
[10]. 温度传感器动态校准中激光光束均匀化研究[D]. 程航. 中北大学. 2018
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