学文网【摘 要】通过对半导体激光光束特性进行分析，依据费马原理和非球面方程理论，对半导体激光准直系统进行数学建模，设计了利用两片式非球面透镜准直系统，并在zemax软件中进行了仿真，最后完成指标，具有良好的效果。
【关键词】Zemax；准直；非球面
0 引言
半导体激光器因其体积小、重量轻、阈值电流低等特点已被广泛应用于材料加工、激光通信、信号处理、医疗、***事等相关领域。但由于半导体激光有源层在横向和侧向的尺寸不一样，导致出射光束发散角较大且不均匀，严重影响了能量的传播和后续的测量过程。一般常用的激光准直的方法有圆柱透镜法、非球面柱镜法、光纤耦合法、渐变折射率透镜法和液体透镜法等。本文主要介绍利用两片非球面柱透镜的方法进行激光准直，并在zamax软件中进行仿真，同时提出一种对点光源整形为线光源的方法。
1 半导体激光光束特性
半导体激光的发光原理是基于受激光发射，满足粒子数翻转和阈值条件，模式可分为空间模和纵模。因为在横向和侧向的尺寸不一样，导致的衍射效应叠加的结果也不一样，最后形成输出光束为椭圆高斯的光束。本文讨论的是小功率半导体激光器，因为它的发光面尺寸较小，近似用基模高斯分布来分析，输出光束的光强分布可用下面的公式给出：
2 非球面准直透镜组设计
2.1 非球面方程介绍
Z（r）为非球面的凹陷度；r为非球面的孔径半径，r2=x2+y2（若只考虑YOZ平面的话，x可以为零）；c为曲率半径的倒数；k为圆锥系数。
2.2 非球面方程参数确定
横向在光学设计中也可以理解为子午方向上，即YOZ平面，如下***所示。
在准直设计中会给出目标光斑大小y以及透镜折射率n，这样？琢■、y、n已知，计算得到，再代入式（6）～（8）中求出横向非球面透镜的参数。侧向的柱透镜的非球面方程系数可通过上面过程同样可以得到。
3 软件仿真与整形系统介绍
3.1 参数计算
3.2 zemax仿真及结果对比
在非序列模式下对光源建模可以用软件里面自带的Source Diode，然后设置它的子午方向和弧矢方向的发散角，两个柱透镜的建模可以使用软件里面集成的Biconic Lens，然后根据本章计算得到的参数输入到相应的位置中，再在透镜后的位置放置Detector面，最后对半导体激光光线进行追迹，用接收面积为60mm*60mm的接收面在距离光源50mm、100mm和200mm处分别采集光斑***样，并与没有加准直透镜的系统进行比较。如下***所示，其中（a）、（b）、（c）***分别表示的是在50mm、100mm、200mm的光斑大小对比，最后准直后的发散角近似计算得到为0.29°，准直性良好，满足设计要求。
3.3 整形系统介绍
点激光整形为线激光通常使用柱面镜、回转棱镜等，但是柱面镜产生的是高斯光束，中心区域较两边能量高，直线亮度不均匀，而本文采用的鲍威尔棱镜则不同，它可以产生光强均匀的线光。鲍威尔棱镜是一种光学划线棱镜，入射光斑入射到鲍威尔棱镜前面的非球面表面，然后光线偏折，最后在后表面折射出去，可以仿照建立非球面准直的思路，对鲍威尔棱镜在zemax软件中建模并进行仿真。
4 结论
本文从理论出发，设计了在横向和侧向上的两片式非球面透镜准直系统。在给定设计参数的情况下求出非球面系数，并通过zemax软件进行仿真，该方法建模简单，可通过编写软件后自动计算参数，最后达到准直的效果良好，有待加工出实际透镜后做进一步验证。
【参考文献】
[1]聂建华，王峻宁.基于ZEMAX的半导体激光准直镜设计方法研究[J].红外，2012，03：22-26.
[2]何修***，涂小强，蒋孟衡，严真旭.半导体激光器光束的准直设计[J].光学仪器，2005，04：65-68.
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