MEMS-LiDAR的光源准直透镜设计

半导体激光器能量转换效率高、体积小、稳定性好,因此激光雷达常以半导体激光器作为光源。针对半导体激光发散角大,而传统的分离式双柱面准直透镜组存在装调误差大、结构复杂、稳定性低的缺点,提出一体化非球面柱透镜准直方案,分别在两面的相互正交的两个方向设计不同的面型,压缩发散角,同时实现半导体激光器快慢轴两个方向的准直。根据费马原理及扩束准直理论初步确定两正交方向准直面面型参数,以最小光斑半径和最大光通量为目标,以MEMS微镜尺寸为限制因素进行优化,最终完成发射端光学设计。准直后光束快轴发散角2 mrad,慢轴发散角9.6 mrad,准直效果接近车规级激光雷达的平均角分辨率,透镜体积为10×10×24 mm~3,发射端系统总长40 mm,系统通光率大于98.6%,满足MEMS-LiDAR对光源准直度、发射端系统集成度和稳定性的要求。     

非球面液滴透镜在LD光束整形中的应用

根据电场作用改变液滴面形的原理,提出直接在半导体激光管封装窗口上制作非球面透镜来准直半导体激光器的光束.在研制的半导体激光器准直和实时检测系统中,使用SU-8光刻胶滴于半导体激光器封装窗口上,同时限制液滴底面轮廓,用电场操控液滴透镜的面形,通过实时检测系统检测到较好的光束状态时,采用紫外光固化技术使液滴透镜固化成固体透镜,在半导体激光管封装窗口上制作出具有两种焦距的准直透镜,从而完成准直半导体激光器的制作.实验表明:所制作出的液滴透镜可同时对相互垂直方向上不等的发散角进行准直,发散角分别可达到θ⊥=14 mrad.θ∥=10 mrad.     

基于ZEMAX的半导体激光准直仿真设计

为了压缩905nm的半导体激光,以用于远程测距,采用几何光路原理,设计了由两个相互垂直的椭圆柱面透镜组成的准直系统,并在ZEMAX软件的非序列模式下实现仿真。半导体激光器快慢轴的初始发散角为30°和15°,经过柱面透镜后,半导体激光器两个方向的发散角都大大压缩;经准直后,激光束的快慢轴发散角分别为4.4mrad和3.6mrad,基本满足了远程测距的要求。结果表明,椭圆面柱透镜对半导体激光有很好的准直作用。     

半导体激光测距机非球面准直整形元件的设计

准直整形光学系统的设计可以提高半导体激光测距的测程和精度,系统中采用非球面光学元件优点突出.某测距装置采用4×1半导体激光器阵列,其波长为905 nm,发散角为25°(V)×10°(H).根据半导体激光器的远场发散角特点,结合非球面光学设计理论,基于ZEMAX软件设计出非球面准直整形元件.由计算结果可知,准直整形后垂直于结方向和平行于结方向发散角分别为3.33 mrad和2.67 mrad,光斑更均匀,能量利用率提高.     

半导体激光器准直透镜系统

发明的详细说明本发明是用于录相磁盘、数字音响磁盘光源半导体激光器的发散性激光束准直透镜系统。半导体激光器的激光光束通常是垂直方向为40°,水平方向为10°左右发散角的发散性光束。为了使其实用,要校成平行光束或接近平行光束。半导体激光准直透镜系统用于录相磁盘、数字音响磁盘时,要求NA为0.2左右,因为波面的混乱将导致光学系统整体性能的恶     

激光测距仪用非球面准直透镜优化设计

针对激光测距仪使用的650 nm激光二极管光源的远场发散角特点,结合非球面光学设计理论,使用ZEMAX软件模拟计算了非球面透镜准直系统成像像差并进行了最优化,设计出非球面准直整形系统,给出了系统数据、点列图、横向像差特性曲线和光程差仿真图。给出了一种采用非球面透镜准直系统对激光二极管的发散角进行压缩准直的设计。由计算结果可知,准直整形后的最大发散角压缩为0.199 9 mrad,相应的光斑更均匀,能量利用率提高。给出的光学系统结构简单、制作方便、具有很好的球差校正能力、成像精度高且使用方便。     

大功率半导体激光束非球面准直系统的优化设计

为实现空间激光束的远距离传输,利用矢量折射定理研究了大功率半导体激光器发散光束经非球面、非轴对称准直系统的光传输特性。对空间光线传输得出了矩阵传递公式,并针对大功率线源半导体激光器的发散光束进行了高精度的准直优化设计。为实现对激光束的进一步准直,利用光学设计软件CODE-V设计了卡塞格伦光学天线。利用两点法对发散角进行了实验测试,结果表明优化设计的准直系统发散角为1.924 mrad,经光学天线进一步准直后的发散角为96.2μrad。本空间光线追迹方法对复杂光学系统的精确计算具有一定参考意义,所设计的大功率线源激光束准直系统能广泛应用于远距离激光通信系统中。     

基于像散曲面微透镜的半导体激光准直研究

为了实现半导体激光器的光束准直,分析了半导体激光器光束沿快、慢轴方向的准直原理。采用单个半导体激光器作为被准直单元,提出了基于像散曲面微透镜的半导体激光器光束准直方法。讨论了半导体激光器填充因子对像散曲面微透镜准直性能的影响。对填充因子0.5的半导体激光器进行模拟验证。准直后,快轴方向剩余发散角约为0.34,慢轴方向剩余发散角约为2.69。结果表明,像散曲面微透镜不但可以对高填充因子的半导体激光器光束进行准直,而且准直后出射光斑面积小。该研究为高功率半导体激光器堆栈光束的准直提供了可行性方案。     

条形半导体激光器准直方法研究

对半导体激光准直变换、能量耦合、整形的方法等进行了研究分析,提出了条形半导体激光器准直变换的处理方法,设计了半导体激光测距准直天线。分析计算表明,采用扩束透镜与棱镜对准直可以将输入参数为发散角10°×40°,发光面100μm×1μm的典型半导体激光束,变换为发散角在1mrad以内的准直光束。     

光纤微透镜用于阵列半导体激光器快轴准直研究

文章采用石英光纤作为柱透镜,进行阵列半导体激光器的快轴准直实验研究,采用ISO推荐的光强二阶矩的方法,测量了发光面为1μm ×150μm的阵列半导体激光器准直后的光束半径、远场发散角、束腰位置、瑞利长度,并根据测量结果计算了光束传输因子(M2 因子) 。以此为基础,研制了耦合光学系统,采用直径200μm柱面透镜准直后,阵列半导体激光器快轴方向发散角可减小到0. 42°,系统准直耦合效率达到89%以上。