1.設計指標

快軸發散角：

慢軸發散角：

發光面尺寸：500

×0.2

經發射系統后達到以下指標：

快軸發散角：0.5mrad(0.02°左右)

慢軸發散角：0.5mrad

2.其他參數確定

(以最大發散角定義)

準直后光束口徑為d，則準直系統焦距為

半導體激光器有源層很薄，在垂直于和平行于結平面的兩個方向上發光面尺寸不同，Y方向遠小于石方向的發光面尺寸，LD遠場輻射圖如圖1所示。由矩孔衍射原理可知，半導體激光器的遠場光強分布為z、Y兩個方向上單縫衍射效應的疊加，沿z、Y方向中央亮斑的擴張與半導體激光器發光面長和寬的線度成反比變化。Y方向發光面尺寸較小，光的衍射效應較明顯，衍射圖樣較寬，對應較大的發散角;x方向發光面尺寸較大，光的衍射效應不明顯，衍射圖樣較窄，對應較小的發散角，即。因而，LD輸出光束為具有一定像散的橢圓高斯光束。

其中，，。，為x，y方向的束腰半徑。

圖 1 半導體激光器的發散光束性質

4.準直原理

如圖1 所示，半導體激光器發出的子午光線先經過母線平行于激光束慢軸方向的柱透鏡后變成準平行光束( 平行光束不可能實現) 。由于第2 個柱透鏡M2對于子午光線的發散角無影響，可看作平板玻璃。圖2 顯示弧矢光線經過第1 個透鏡M1時，光束會發生偏移，但不會影響光束的發散角，在經過第2 個柱透鏡時，弧矢光也同樣得到準直，輸出準平行光。

FAC: fast axis collimation

SAC: slow axis collimation

5.光源設置

漸暈系數VCX=1-tan(15°)/ tan(30°)=0.5359

6.模型建立

以newport公司的SAC和CL透鏡為準直元件，在zemax中序列模式中建立模型。由于透鏡曲率不知，未優化時，此模型并不能起到將光斑壓縮成圓斑的效果，需進一步優化。

7.序列模式模擬激光二極管光源——光線模型

7.1不考慮Astigmatism的模擬方法

沒有像散特性時，假設激光二極管是點光源，帶有高斯的強度分布，以及指定散角的橢圓分布。物距設置為100mm。如下圖：

輸入發散角較大的方向的NA值。

下面將光束改為橢圓。計算光束投影到入瞳平面上時，半徑的比值。

漸暈系數VCX=1-tan(15°)/ tan(30°)=0.5359，即可產生一個0.5359：1的橢圓型光束。軟件中設置如下：

效果如下：

查看距離光源100mm位置的照度：

查看距離光源Y截面分布。

可以看到，大約在100×tan(30°)=57.7mm處，其強度降到了1/e2。

查看距離光源X截面分布。

可以看到，大約在100×tan(15°)=26.79mm處，其強度降到了1/e2。

7.2帶有Astigmatism的模擬方法

一般來說，激光器廠商提供的規格表中不一定提供Astigmatism值，因此通常把激光二極管作為點光源模擬。但如果在實驗室中通過適當的方法，可能測出Astigmatism的值。

如果在非序列模式下，帶有Astigmatism的橢圓形高斯光束可以用Source Diode光源物件來模擬，而在序列模式中，則可以利用理想圓柱透鏡(Paraxial XY)的設置，加上點光源來完成。由于Astigmatism的特性即是X與Y方向的焦點位置不同，因此我們可以利用單方向的理想圓柱透鏡，透過成像公式計算，改變光束在某一方向上的焦點位置，下面是我們要設定的系統，我們會透過Paraxial XY這個Surface改變光束在Y方向上的發散角及焦點位置。

虛光腰距出光端面的距離(即像散)，可由下式確定：

(5.1)

式中，各參數的定義為

λ—波長

S—有源層寬度

微米。計算得：

設定方法如下：

1.光源在x方向半發散角

，光源在y方向半發散角

，Astigmatism=t

2.使用下面公式計算M(放大率)

(理想柱透鏡的屈光能力)：

1

3.輸入NA=sin(θx)=0.26

4.物面到第一面的距離設置為

5.第一面設置為光闌面，并設定面型為Paraxial XY：X power=0;Y power=

6.帶有Astigmatism的光源就設定好了。此光源在X方向的焦點在第0面，而Y方向的焦點在第一面開始往后位置上。

對于窄線寬激光器，暫定參數為：

依據公式組1，計算得：

查看焦點位置的照度：

查看距離光源0.1mm位置的照度：

查看距離光源0.2mm位置的照度：

查看距離光源0.3mm位置的照度：

查看距離光源1mm位置的照度：

查看X與Y Cross，結果如下：

可以看到，X方向的1/e2強度約落在0.26左右，與發散角正切值tan(15°)=0.268吻合;

Y方向的1/e2強度約落在0.57左右，與發散角正切值tan(30°)=0.577吻合。

審核編輯：湯梓紅