基于ZEMAX的半导体激光准直镜设计方法研究
文章编号：１６７２—８７８５（２０１２）０３—００２２—０５
基于ＺＥＭＡＸ的半导体激光准直镜
设计方法研究
聂建华
王峻宁
（电子测试技术重点实验室，山东青岛２６６５５５）
摘要：针对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的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，并给出了设计与优化方法。结合工程中常用的８０８
Ｙｌｍ
半导体激光器，设计了双片型８０８ｎｍ半导体激光准直镜，并在ＺＥＭＡＸ中使用合适的优化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
文献标识码：Ａ
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ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—８７８５．２０１２．０３．００５
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０引言
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
基金项目；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．３３，ＮＯ．３，ＭＡＲ
２０１２
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万方数据
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［１－３］。中心波长为８０８ｎｍ的半导体激光属于是用来有效纠正球面像差等各种像差。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，不路划片等行业中有着重要的应用。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像散椭圆光斑（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
量与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
睁芒舞
（５）
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
用式（６）表示：
臼，：竺
ｆ６）
、’
Ｗ：分别为经透镜变换前后的高斯光束的束腰直
７ｒ叫：
径，Ｆ为透镜的焦距，由ｑ参数表示：
若要使臼７尽量小甚至趋于０，则要求Ｗ：尽
—２——
（１）（１）
可能变大。高斯光束通过单个透镜时，若ｌ＝Ｆ，
ＣｑＡ＋Ｄ
叫：则会达到最大值叫：：竺，其值有限。
帆＝ｔ丁７ｒｗ２叫，ｑＡ＝ｑｏ＋ｌ，［ｃＡ牛
后得到：
由％Ｉ的表达式甜。１２：面薪经变换
［一易；卜：
：Ｆ！（！二１２二』！±！』兰
砰１＝去（，一刍）２＋去（半）２㈤
ａ：％２
Ｒ万而卸可可矿
！』±！
由于Ｗ。有限，无论ｌ和Ｆ取何值都不可能
．。
（２）
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
圹华√
设计
再结合式（２）可得：
如果需要提高镜头的准直效果，那么就必ｋ
Ｆ＋篇
须对光学系统进行复杂化设计，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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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；
（８）
透过率。这时，如果适当地引入非球面，尤其是高次非球面，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元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
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ｃｒ２
＋“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
图２初始结构
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，设定入瞳直径为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，可以被近似地看作点光源，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
ｍｒａｄ。
（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像差校正、高级像差校正和像差平衡三个阶段。
３设计优化与性能分析
３．１基本像差校正
在８０８ｎｍ激光光束准直镜的设计中，基本像差一般是指球差。选取合适的优化函数并用ＺＥＭＡＸ进行优化时，还要注意控制有效焦距。
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图３初始的３Ｄ光路结构
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第窜喀∞，第３期
红外
２５
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会增大，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，各种高级像兰＝差已满足要求，我们就可以用ＳｐｏｔＤｉａｇｒａｍ查看
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准直质量。如果初级像差和高级像差不能平衡，‘’
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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，重新进行像差校正３．２
高级像差的校正和像差平衡
和平衡。
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图５优化后的结构
图６和图７所示为设计结果（有效焦距为ｌｏ：胆
ｍｍ）。其中，图７给出了发散角的大小。ＲＭＳ为主要的评价标准：发散角度为ｏ
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为参考的评价标准：发散角度为ｏ．０６２
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４结论
本文先对高斯光束经过单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６优化后的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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球面的基于ＺＥＭＡＸ的半导体光源准直镜没计方案，Ｊｒ给出了设计与优化方法。我们设计的双片型８０８ｎｌｌｌ半导体激光准直镜采用常用的ＢＫ７玻璃材料加工而成。在ＺＥＭＡＸ中使用合适的优化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
２０１２年３月
…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
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８０８ｍｎＤｉｏｄｅ
Ｌ㈣’ｔｌｉａｒｓ¨ＳＰＩＥ，２００７．６４５６：６４５６０７
ｆ３１畅昨．刘云，秦莉，等．８０８ｎｌｎ大功率半导体激光器
阵列的优化没汁『Ｊ１强激光与粒子束２０１ｌ，３１（１）：
３５．３７．
非球面镜获得了发散角为ｏ（｝３２ｌｌｌｌａｄ的较好准直效果。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。
参考文献
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８３
激光物理学阳１＿北京：北京大
墨弱墨
美国纽约警察局研制可发现隐蔽武器
的枪式红外扫描仪
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多和容易得多，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
尺。
这种红外扫描仪是有争议的
目前这种红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人来说将是一种妨碍。
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隐蔽的枪支，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安装寻热装置。
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这种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
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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)：
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引用本文格式：聂建华. 王峻宁. NIE Jian-hua. WANG Jun-ning 基于ZEMAX的半导体激光准直镜设计方法研究[期刊论文]-红外2012(3)