半导体激光束非球面准直系统的设计
摘要
本文对半导体激光束准直透镜系统进行了设计和仿真优化。本文详细讨论了非球面透镜准直系统的新的设计方法，并采用几何光学光学近似方法对系统参数进行了计算和优化。 利用MATLAB软件对光学系统进行了进一步的仿真，仿真结果表明，出射角可以有效地调节，输出光束可以扩展到厘米级光束半径的圆形光斑。
关键词：半导体激光; 非球面透镜; 准直系统; 仿真最优
1.介绍
由于光电子器件的快速发展，半导体激光器已经广泛应用于激光加工，药物应用和光通信等众多领域。 但是，边缘发射半导体激光器与之相比较就有所不同了。如图1所示，在两个横向方向上的发散角和发散角，导致了固有的散光和椭圆光束形状。边缘发射半导体激光器的输出光束的这种特性是许多需要激光源在应用上普遍存在的缺点。如何提高边缘发射半导体激光束的质量成为一个广泛关注的问题，也是这方面研究的热点。
现在针对如何解决这个缺点，有两种较成熟的技术可以改善半导体激光器的光束质量。第一个是在内部改变光束质量，例如添加外部光线空腔到LD或优化LD腔的结构。第二种是在外部改善光束质量，常用的方法是在激光束前加入光学元件，本文讨论的方法就是第二种方法。一般来说，透镜或棱镜主要用于重塑光束。由于结构简单和易于制造，圆柱透镜已被用于LD光束准直的许多实际应用。非球面透镜是另一种用于准直LD光束的成形系统，这个系统的理论性能可能是完美的。
在本文中，一个包含两个非球面柱面透镜的光学系统被设计成使用解析方程和MATLAB仿真来校准椭圆形半导体激光束。
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准直系统的设计
- 几何射线光学与物理光学
光束成形系统的光学设计可以使用物理或几何光学来实现。对于单模高斯光束，计算参数b0将有助于确定是否应该使用几何或物理光学方法，参数被定义为
（1）
其中 = 870 nm是半导体的波长，是光束半径或腰部，是所需输出尺寸的半宽度，是聚焦光学系统的焦距或是光学系统到目标平面的工作距离。一般来说，如果，衍射效果不明显，从而光束整形系统将不会产生比较理想的结果。而当时，衍射效应是十分显着的，这时就应该是光束准直系统设计的一部分。当时，此时的几何方法应该很适用于光束准直系统的设计。
在本文中，我们计算出了所有表面的值，并且基于这些表面值，我们将会讨论几何光学原理的准直系统。
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- 准直系统设计理论
这种设计方法的主体采用两个非球面的柱面透镜构成，输入表面和输出表面都是非球面，并且它们之间的两个表面是平面，如图2所示。表面在x-z平面中具有屈光力并且在y-z平面中平坦以便在垂直的横向方向上对光束进行准直。 同时，表面在垂直方向上是平坦的，从而允许光束在该方向上不折射地传播通过，而平行方向的表面平行于光束。 从结果来看，输出光束具有期望的圆形、准直精度和扩束形状。
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- 输入面的公式
输入面是一个非球面的圆柱面，本节将给出x-z平面的计算。用于计算x-z平面中镜头参数的变量如图3所示。
（2）
从三角关系来看，我们有
（3）
同时求解方程 （2）和（3），我们获得
（4）
根据解析几何理论，方程（4）是双曲线的极坐标方程。 并改变它成直角坐标形式，我们获得了表面的方程如下所示。
（5）
其中，双曲线参数和近似虚拟参数，，，而近虚源位于双曲线平面的外焦点上。
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- 输出表面S2的方程
输出面也是一个非球面圆柱面，本节将介绍y-z平面的计算。图4显示了平行横向（y-z平面）表面的示意图和用于计算透镜参数的变量。我们根据费马原理和三角关系来确定表面方程。平行横向发散角，最终输出光束半径h（h等于与输出光线的垂直横向方向相同的高度），并且第二透镜的厚度作为设计限制。 距离和第一透镜的厚度已经在x-z平面计算中找到。
首先，激光源从点OJ发射光束，然后由准直系统折射。 根据几何光学原理和三角关系，我们获得
（6）
我们假设出口折射射线平行于光轴，再由费马原理，我们有
（7）
将费马原理应用于表面。 为此，假定该表面的左侧是玻璃，而它的右侧是空气。
（8）
同时求解方程 （6） - （10），我们获得
（9）
（10）
所以，我们可以通过方程式确定两个透镜之间的距离l2。（10）。 在理想的情况下，我们希望激光束的任何发射角可以被准直成平行光线。 基于解析几何理论的演算，我们可以基于pushover分析得到理想非球面的以下参数方程，y是参数变量。
（11）
其中，
（12）
- 最佳模拟分析
在我们的讨论中，我们选择了一种半导体激光器
其中快轴之间的发散角度（）和慢轴（）是不对称的
而固有散光是毫米。该空气折射率 = 1; 用于玻璃（BK7）中是 = 1.5095毫米（在870nm处）。经过优化计算，我们确定了所有的表面参数见表1。MATLAB程序的设计是为了模拟这个光束传播与射线追踪法。光线分别在x-z和y-z中被追踪平面和光线追踪结果显示在图五。
根据模拟结果我们知道这一点 ，当近虚源位于输入面（双曲面圆柱面）的外焦点上时，出射角均小于rad，或者在垂直的横向方向上或者在平行的横向方向上，激光束半径h扩大到9.63mm。 因此，高度发散的椭圆光束已被理想地校准并且在光学系统的输出处被圆化成2cm的光斑尺寸。
分析还表明，光源位置对垂直横向方向上的准直效果有重要影响，而对平行方向上的准直效果有重要影响
横向方向出射角与入射角相关而非光源位置。 最后，我们考虑通过移动光源位置大约 = 70.5 mm来考虑对出射角的影响，如图6所示。当光源位于小于离中心70.5mm处，出射角度在垂直方向出现明显波动。 所以我们需要确保光源恰好位于正确的位置。
4 结论
本文提出了一种基于设计思想的设计方法介绍了由两个透镜组成的非球面透镜循环并准直一个高度发散的椭圆光束。 光学系统已被进一步模拟软件MATLAB根据结果，这个最优设计理论上可以达到理想的准直效果用于激光束准直系统，并且可以将光束从椭圆轮廓环绕到2厘米光学系统输出端的光斑尺寸。
新型高倍率变焦激光扩束器
本发明提出了一种新型高倍率变焦激光扩束器。 扩束器的变焦部分和固定部分均采用球面透镜，补偿部分包括球面和非球面。 结构参数是用几何光学给出的变焦特性和图像质量进行了分析。结果表明，扩束器的放大倍数可以从3到20连续调整。与其他同类球体变焦系统相比，扩束器具有放大倍数高，结构紧凑的优点 ，能量高，光束质量好，传输效率高等特点。新型扩束器可有效应用于多个领域。
目前，光束扩展作为一种常见的成形方法已被用于许多应用中，例如激光雷达[1]，干涉测量[2]，激光[3]，激光全息 - 克[4]，X射线光学[5]，光纤[6]等。放大扩束器已被用于更多的应用中膨胀机的放大倍率可以是这个原因不断调整。使用起来既简单又经济。但是，球面变焦系统由于双倍胶合透镜或透镜组充当缩放部分并固定部分消除了系统的偏差，有利结构复杂，效率低下[7]。与非球面球面变焦系统相比表面变焦系统结构较好，重刑，效率等。 Butif太多非球面surfacein-它很昂贵且难以加工和安装。为了解决这个问题，一种新型的变焦激光束膨胀机本来是提出的，其放大倍数可以从3到20连续调整。变焦系统是一个三镜头系统，也就是说缩放部分和固定部分均采用球面透镜，包括球面和非球面表面。结果说明了这种新颖的光束膨胀机可以广泛使用，结构简单，放大倍数高高光束质量。假设入瞳的直径，入射光的长度和视场的角度2omega;分别为4mm，1064nm和8mrad。该系统的形状结构可以通过使用获得光学设计软件，如图1所示。
Tab.1显示缩放的结构参数系统。 可以看出，总光学长度是343毫米，材料是ZF2和LAF3。重点系统的每个透镜的长度为f#39;A = 70.34毫米，f#39;B = -4.12毫米，f#39;C = 273.78毫米。
补偿透镜的第一个表面是一个球面，相应的公式是
（1）
其中c和k分别为二次曲面的顶点曲率和系数，A4和A6分别为非球面的系数。这个系统中的参数是
k= -9.38781951411208
= -8.668068263941e-009
= 1.26162217643434e-013
表2是L1，L2和M的关系，这里L1，L2和M分别是变焦部分和固定部分的距离，固定部分和补偿部分的距离以及变焦系统的放大率。
变焦部分和补偿部分的移动轨迹可以按照表2得到，如图2所示。可以看出，变焦部分和补偿部分的最大移动距离分别为17.98mm和4.54mm。 因此可以得出这样的结论：新型变焦扩束器具有更小的变焦行程，也就是说，该系统具有紧凑结构的优点。而且，轨迹平滑，这对于变焦凸轮的加工是很好的。
由于激光扩束系统是一个波像差偏差较小的系统，调制传递函数可以用来分析这种系统的成像质量。 表3显示了不同放大倍率和场的波浪变化。 可以看出，波像差的每个值都小于lambda;/ 4，因此变焦系统具有高成像质量。图3是不同放大倍数的调制传递函数曲线。 可以看出，每个调制传递函数曲线都非常接近衍射极限，这也表明变焦系统具有较高的成像质量。使用几何光学理论，我们不仅获得了新型变焦系统的结构参数，而且还分析了变焦特性和成像质量。 结果表明，
我们提出的pander具有高倍放大的优点，阳离子，结构紧凑，成像质量高，传输效率高，因此可以应用于许多应用领域，阳离子有效。
使用光电二极管阵列开发基于室内激光的实时对准监测系统
摘要
目的：开发实时校准监控系统（RAMS）以弥补这些限制传统的基于室内激光的对准系统。验证RAMS的可行性，再现性并进行了准确性测试。
方法：RAMS由室内激光感应阵列（RLSA），电路，模拟 - 数字组成转换器（ADC）和一台控制PC。 RLSA被设计为以这样的模式安排光电二极管导致RAMS具有1mm的分辨率。光电二极管用于定量评估的对齐条件。为了验证开发系统的可用性，我们进行了时间测试再现性，可重复性和准确性。
结果：时间重现性测试结果表明RAMS信号稳定关于时间。此外，重复性测试导致了最大的方差系数1.14％，这表明RAMS的信号在重复设置下稳定。精度测试坚信“开”和“关”信号可以通过信号强度来区分，考虑到“关”信号在所有情况下均低于“开”信号的75％。另外，我们确认系统可以通过监视“开”和“关”信号的模式来检测1毫米的移动。
结论：我们开发了一种基于房间激光的对准监测系统。可行性试验证实
该系统能够实时定量监测。我们期望RAMS可以提出基于室内激光的对准监测方法的潜力。
1.介绍
在放射治疗中，准确的患者对准对于向靶标输送规定剂量以及为了最小化对邻近正常组织的不良辐射影响而言是重要的。 为了精确对准患者，模拟和治疗之间的患者位置必须一致。因此，在每次治疗前验证患者的走向是至关重要的。此外，在治疗期间监测患者对准对于精确对准是必不可少的，因为在治疗期间可能发生患者对准误差 。
在大多数诊所安装的房间激光对准系统，也经常用于设置治疗的患者至于治疗模拟作为参考。房间激光被安装在模拟室和治疗室中，使用相同的几何配置。 因此，使用房间激光系统作为参考可以实现两个房间之间的一致对准位置。 此外，基于房间激光的患者对准具有无创性，简单的验证程序和时间有效的对准的优点。这些优点，它被广泛用于治疗过程中患者的初始设置。
然而，最近，基于房间激光的患者对准被限制在初始设置。 因此，使用基于房间激光的对准而无需额外的监测装置就不能实现监测治疗期间的患者对准。 而且，传统的房间激光器主要基于肉眼，这使得验证程序依赖于用户和不准确。 因此，不需要额外的验证方法，传统的房间激光准确度不足，并且不能对准的定量评估。因此，需要能够克服常规室内激光对准的这些限制的先进系统。
这项研究的动机是开发一种实时对准监测系统，以补偿传统的基于室内激光的对准的局限性。我们特别关注治疗期间的定量和实时监测只有传统的房间激光器才具有挑战性。开发的系统使用光电二极管，能够量化室内激光信号，以便通过将房间激光信号转换为电信号来实现定量实时监测，并持续不断地随时间推移。光电二极管由于其高响应速度和低噪声水平而具有很高的适用性[17]。然而，使用单个光电二极管的系统，定量评估对准条件是具有挑战性的。为了改善系统的可用性，我们安排了几个光电二极管具有1毫米空间分辨率的阵列。通
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