（*）根据 !’ 和 -. 查找玻璃组合， 当 -. % ’ 时， 该值与计算的 !’ 最小值相差较远， 所以 !’ 为 ’ * ’!0， 不采用； 当 - . % ’ * ’’. 时， 该值与计算的 !’ 最小值比较接近， 所以采用 * 此时的玻璃组合为 !’ 为 & ’ * ..!，
［..］ 和 3（ ， 查相关表格 ， 可得组合双胶镜的各参数为&. % & . * &&’ 2’2， 9（ : & +, 取 . * 3.. 02） 2 +, 取 .0. &%2）
3 % . * $.& %03， ;’ % 0 * 3%3 0!2， !’ % & ’ * 0&2 3%2， 8’ % & ’ * !&* 0%. * % ! * *!$ $.!， （0）确定形状系数 8
!
高斯光束远场特性的分析和倒置望远镜方法的否定
激光的物理本质是光的受激辐射放大， 不论激光器的稳定腔采用什么结构， 沿 M 轴方向传播的都是高
［+］ 斯光束 ) 高斯光束及其参数如图 ! 所示 ：
’""(#"$#’_ ! 收稿日期： 基金资助： 中国科学院西安光学精密机械研究所所长基金 （%_+"’"(+）
（ " ）% $) $
） ( &（ ） % $ ( &（ ’ ! "$ !
% ) % % )
"
""
（(）
可见， 光斑半径随坐标按双曲线的规律扩展， 在 89) 处，$ （ " ）% $ ) ， 达到极小值； # 基模高斯光束的相移 特性由相位因子 " !% ）, .7:5.1 （%） （ (， )， " ）% （ * " & #)) %+ ’ 所决定 ’ 它描述高斯光束在点（ ( ， )， " ）处相对于原点 （)， 处的相位滞后； )， )） $ 定义在基模高斯光束强度的 ( - # % 点的远场发散角为 （ "） %$ % % " % ) . =>= ? " $) % ;+3 " $) "" < "$)
西
安
工
业
学
院
学
报
第 !* 卷
!
光束准直系统设计
以一种常用的双异质结半导体激光器 （型号为 "#$%&’(） 其各项参数如下： 光源尺寸为 ’)*! + ’)*! ,,!， 发散
角!-为 .’/， 输出功率 !’ 为 0 ,1， 峰值波长"" 为 ’)$%! 其出 ,) 因为系统选用小功率半导体激光器， !!为 !*/， 射光束可近似按几何光束处理 ) 设计组合透镜的光路图如图 & 所示 ) 将激光器出射面放置在距离光组 # . 为 .’ ,, 的位置， 则 $ . % & .’ ,,， 令 #.、 # ! 的焦距 ’( . 、 ’( ! 及间距 由半导体激光器 "#$%&’( 的光束参数和三角关系可得光组 # . 的通光口径 ). 、 分别为 .0 ,,、 &0 ,,、 0 ,,， 系统焦距 ’( 分别为 光组 # ! 的通光口径 ) ! 、 ). % * * !0! ,, )! % * * 23! ,, ’( % .. * 3$ ,, 光组 # . 采用单透镜， 玻璃材料采用 4.!， 其折射率 +, 5 . ) 0&’ 3$ （ 因为激光单色性好， 所以只考虑一种色
% %
!
!
［@］ ， 如图 % 所示： 通常压缩高斯光束发散角的方法是利用倒置望远镜系统
图 % 中 / ( 为一短焦距透镜， 其焦距为 ’ ( ， 当满足条 件 ’( # 0 时， 它将物高斯光束聚焦于后焦面上， 得一极小光斑
"’ ( （F） （ 0） "$ 式中：$ （ 0） 为入射在 / ( 表面上的光斑半径 . 由于 $1 ) 恰好落在长焦距透镜 / % 的前焦面上， 所以腰斑为 $1 )
光束进行准直 ) 上述方法中第 ! 种方 而且准直效果较好的光学系统， 对小功率半导体激光器 （ ." #$ ,-） 法准直效果差， 第 ( S % 种方法结构过于复杂， 只有组合透镜法既可以保证一定精度的准直效果， 同时避免 最终设计出两组三片式透镜准直系统 ) 过于复杂的结构 ) 所以本文采用组合透镜法，
［2］ 这里采用一组经验公式进行设计， 并由初级象差理论可得 ： 光） ) 由于单透镜结构较为简单，
（ （! + . .） ! + . .） + / . # （ （ + & .） + .! ! + . !） （ （! + & .） ! + . .） + &* -! % / . # （ （ + & .） ! + . !） + .! -. % 式中： -. 为第一面曲率半径 0 . 的倒数； -! 为第二面曲率半径 0 ! 的倒数； /取 （$） 式， 可得 -. % & ’ * ’$. ’2% （ $ ,,& .） -! % & ’ * .0% &%! （ 3 ,,
!"#$%& ’( ’)*$+# #,#*"- (’. /0#". 1$’1" 2"0- +’//$-0*$’&
’ ， ()* )+,’-.,’/ ( ， !"#$ 012’/-12+ ! ， !3* 4&’/-51& ! !"#$ %&’ !，
（! ) 45’ 67 879:5:;:< => /?:5@9 67A .B<@595=7 C<@D675@9， ED57<9< 3@6A<,F => G@5<7@<， 45’ 67 %!""*+， ED576； ’ ) ED57<9< 3@6A<,F => G@5<7@<； ( ) 45’ 67 879:5:;:< => 1<@D7=H=IF）
32#*.0+*： 87 =BA<B := 9=HJ< :D< ?B=KH<, => K5I A5J<BI<7@< 67IH< => H69<B A5=A< K<6,， :D< @D6B6@:<B59:5@9 => L6;99 K<6, 57 >6B >5<HA 59 676# HFM<A 67A 5: 59 @=7@H;A<A :D6: :D< :F?5@6H N6F => 57J<B957I :<H<9@=?< 59 =;: => :D< O;<9:5=7) 1D< 5A<6 := ;9< H<79<9 699<,KHF 59 ?B<9<7:<A) 1= @=HH5,6:< :D< K<6, => $ ,- H69<B A5=A<， 67 =?:5@ 9F9:<, 57@H;A57I :N= IB=;?9 67A :DB<< ?5<@<9 => H<79 59 A<957I<A KF .- ,<:D=A 67A /0.’ =?:5@ A<95I7 9=>:N6B<) 1D< K<6, @67 K< @=HH5,6:<A 96:59>6@:=BF K<@6;9< :D< 6K<BB6:5=7 59 ,;@D H5::H<) K<6, @=HH5,6:57I； =?:5@ A<95I7； .- ,<:D=A 4", 5’.1#： H69<B A5=A<；
!
（! ) 中国科学院 西安光学精密机械研究所， 西安 %!""*+； ’ ) 中国科学院； ( ) 西安工业学院） 摘 要： 为了解决半导体激光器出射光束发散角大的问题， 对高斯光束远场性能进行了分析， 得出不能采用
常规的倒置望远镜方法实现半导体激光器光束准直的结论 ) 针对一种 $ ,- 半导体激光器， 提出使用组合透 镜的方法使其实现光束准直 ) 运用光学设计的 .- 方法， 使用 /0.’ 光学设计软件， 设计了两组三片式组合透 镜构成的光束准直系统， 经过象差检验， 准直效果好 ) 关键词： 半导体激光器； 光束准直； 光学设计； .- 方法 中图号： 12’&+ ) & 文献标识码： 3
& .）
（3） （$） . . ， % ， 把各量代入 （3） 式、 $ # ’(
0 . % & .* * ’30 ,, 0 ! % & 3 * &.* ,,
［.’］ 对于 # ! ， 考虑到校正象差的需要， 此光组采用双胶合透镜 ) 利用 61 法 （解析法） 设计其步骤如下： （.）选型 即采用一个凸透镜和一个凹透镜胶合成胶合型合适， 主要校正球差和正弦差 )
第 ’& 卷 第 ’ 期 ’""& 年 * 月
西 安 工 业 学 院 学 报 V/WX23Y /Z 48[32 82G181W1\ /Z 1\E]2/Y/L^
T=HU’& 2=U’ V;7< ’""&
文章编号： !"""#$%!& （’""&） "’#"!&"#"&