半導(dǎo)體激光器又稱激光二極管，是用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器。半導(dǎo)體二極管激光器是最實用最重要的一類激光器。它體積小、壽命長，并可采用簡單的注入電流的方式來泵浦其工作電壓和電流與集成電路兼容，因而可與之單片集成。并且還可以用高達GHz的頻率直接進行電流調(diào)制以獲得高速調(diào)制的激光輸出。由于這些優(yōu)點，半導(dǎo)體二極管激光器在激光通信、光存儲、光陀螺、激光打印、測距以及雷達等方面以及獲得了廣泛的應(yīng)用。工業(yè)激光設(shè)備上用的半導(dǎo)體激光器一般為1064nm、532nm、355nm，功率從幾瓦到幾千瓦不等。一般在SMT模板切割、汽車鈑金切割、激光打標機上使用的是1064nm的，532nm適用于陶瓷加工、玻璃加工等領(lǐng)域，355nm紫外激光適用于覆蓋膜開窗、FPC切割、硅片切割與劃線、高頻微波電路板加工等領(lǐng)域。軍事領(lǐng)域半導(dǎo)體激光器應(yīng)用于如激光制導(dǎo)跟蹤、激光雷達、激光引信、光測距、激光通信電源、激光模擬武器、激光瞄準告警、激光通信和激光陀螺等。

半導(dǎo)體激光二極管基本結(jié)構(gòu):垂直于PN結(jié)面的一對平行平面構(gòu)成法布里-珀羅諧振腔，它們可以是半導(dǎo)體晶體的解理面，也可以是經(jīng)過拋光的平面。其余兩側(cè)面則相對粗糙，用以消除主方向外其他方向的激光作用。激光二極管由于PN結(jié)發(fā)光位置不同，形成了兩個方向的發(fā)散角，稱之為二極管的快軸和慢軸如圖所示二極管，平行于PN結(jié)的方向為慢軸方向，垂直于PN結(jié)的方向為快軸方向，對于發(fā)光角度來說，快軸的發(fā)散角要大于慢軸發(fā)散角，一般兩者的比值在2-3倍左右。

公式如下

公式中:θx和θy是快軸和慢軸的發(fā)散角，Gx和Gy是X和Y方向光束的超高斯因子，用來控制二極管光源能量的集中度。若Gx=Gy=1時則為理想高斯光束。αx或αy 是光束發(fā)散角大小，用來計算激光半功率遠場發(fā)散全角度因子。通常二極管廠家會給出激光功率衰減至一半時的半寬角度即θFWHM，也稱為半功率角。對于高斯光束，光束半徑通常定義為處于峰值強度的 1/e2處對應(yīng)的半徑。半功率角是由高斯光束半徑確定的半發(fā)散角的1.18倍。

圖1 OSRAM-SPL PL903 二極管參數(shù)表及半功率角圖示

一般我們在ZEMAX中使用非序列模式來模擬激光二極管光源，方法較方便快捷。而當(dāng)遇到較復(fù)雜系統(tǒng)運用或要求較高或光路優(yōu)化時，需要在序列模式下模擬出激光二極管光源，此時光源模擬就較為復(fù)雜。

上圖為激光二極管在非序列模式下光源的模擬，可見到出射為橢圓形光斑。其中設(shè)置選項Astigmatism,它是像散因子，即光束在X軸方向漂移的大小，當(dāng)設(shè)置此參數(shù)時，說明二極管不是理想的點發(fā)出的。

序列模式中模擬激光二極管

方法一、利用理想圓柱透鏡 (Paraxial XY) 的設(shè)置，加上點光源來完成。

圖3 光路示意圖

步驟:1設(shè)定:光源在XZ面上的半功率角為θ∥?！汀?/p>

YZ面上的半功率角為θ⊥。

Astigmatism長度為t。

2. 光源在XZ面上的半功率角的發(fā)散角

YZ面上的半功率角的發(fā)散角

使用下面公式計算M(放大率)、t1、t2、φy(光焦度):

M= tanθx / tanθy

t1 = t / (M+1)

t2 = Mt / (M+1)

φy = (M+1)^2 / Mt

3. 設(shè)定System Explorer 的Aperture型態(tài)為「Object Space NA」，并且輸入數(shù)值sin(θx)。

4. 物面到第一面的距離設(shè)為t1。

5. 把第一面設(shè)為光欄面，并設(shè)定面型態(tài)為 Paraxial XY:X Power = 0、Y Power = φy。

6. 以上的設(shè)定即可表現(xiàn)光源的部分。X方向的發(fā)光點是在第0面，而Y方向的發(fā)光點是在第一面開始t2的位置上。

范例:設(shè)定，假設(shè)LD規(guī)格如下: