椭圆口径双曲轮廓的微透镜阵列元件用于激光准直研究

摘要

半导体激光器具有体积小、重量轻、功耗低和可直接调制等优点，在激光雷达、激光通信、激光泵浦、激光扫描、激光测距等方面得到了非常广泛的应用。由于半导体激光器的结构特点，使得它发出的光束在垂直于结平面方向上远场发散角和平行于结平面方向的远场发散角相差较大（在垂直和平行于结平面方向上的发散角大小分别在30°左右和10°左右）。所以在几乎所有要求较高的应用领域中，半导体激光器的输出光束都必须通过特殊的光学系统进行准直。对于这种有很大发散角的准直，是个很棘手的难题，采用传统光学手段很难完成。在这里，我们设计、制作并测试了一种由折射器件组成的微光学元件来完成这个目标，有利于整个系统的微小化和集成化。
　　 本文的主要内容如下：
　　 1、介绍了半导体激光器的特性，微透镜的制作和应用，回顾总结了传统准直方法，给出准直设计所面临的困难，相应的提出微透镜准直方法。
　　 2、阐述了准直微透镜阵列设计的相关原理。针对基于几何光学的矩阵光学和高斯光束传输特性的研究，为微透镜的设计作出了理论准备。同时，介绍了折射微透镜阵列的制作方法。
　　 3、运用相关理论，设计了单片式微透镜组成的准直系统，提出了使用椭圆口径双曲轮廓的微透镜阵列准直的可能性，并设计了相关的透镜参数。
　　 4、采用微压印技术制作微透镜阵列，重点研究了solgel感光材料制作微透镜的方法，并制备了椭圆口径双曲轮廓的微透镜阵列元件。
　　 5、对所制备的椭圆口径双曲轮廓的微透镜阵列元件用于激光准直的效果进行了测量。
　　 6、对全文进行了总结，并对未来的工作进行了展望。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1．1 半导体激光器的发展

1．2 半导体激光器的应用

1．3 半导体激光器光束的传统整形方法

1．4 微光学的整形方法

1．5 本论文研究目的及主要内容

第二章 基本理论及微透镜阵列简介

2．1 半导体激光器的输出光束

2．1．1 半导体激光器输出光束的远场发散角

2．1．2 半导体激光器输出光束的像散

2．2 矩阵光学原理

2．3 高斯光束

2．4 高斯光束的成像变换

2．5 微透镜与微透镜阵列

2．6 折射微透镜阵列的制作

2．6．1 平面工艺离子交换法

2．6．2 光敏玻璃法

2．6．3 熔融光刻胶法

2．6．4 反应离子束刻蚀法

2．6．5 光刻热熔加离子束刻蚀法

2．6．6 电铸制模与注模复制

2．6．7 溶胶凝胶

2．7 微透镜准直

第三章 准直微透镜阵列的设计

3．1 透镜设计

3．2 微透镜的制作参数设计

3．2．1 球冠微透镜的热熔公式

3．2．2 椭圆口径微透镜的热熔公式

3．3 折射微透镜设计结果

第四章 准直微透镜的制作

4．1 PDMS介绍

4．1．1 PDMS的优点

4．1．2 表面化学特征

4．1．3 PDMS材料的不足之处

4．2 微压印技术制作微透镜阵列

4．2．1 准备玻璃基板

4．2．2 涂胶、前烘

4．2．3 曝光

4．2．4 显影

4．2．5 光刻胶倒悬热熔成形

4．2．6 PDMS印章

4．2．7 sol—gel材料的合成

4．2．8 微透镜成形

4．3 微透镜的形貌分析

第五章 准直效果的测量与分析

5．1 激光远场发散角的测量方法

5．2 利用CCD测量激光远场发散角的原理

5．2．1 CCD图像传感器特点及分类

5．2．2 CCD的基本工作原理

5．2．3 面阵CCD图像采集系统工作原理

5．3 激光束远场发散角的测量

5．3．1 出射激光束远场发散角的测量装置

5．3．2 实验图形和实验数据

第六章 总结

参考文献

硕士期间参与的科研项目和完成的工作

致谢