高功率脉冲半导体激光器组件研究图文精Word文件下载.docx
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研究方向:
邀发堑堡皇堑型邀出矍申请学位级别:
亟主
导师:
韭剑塞熬攫研究生:
呈曦盘
论文起止时间:
2007.11-2008.12
摘要
高功率脉冲半导体激光器组件作为距离选通主动成像系统的核心单元,对系统总体性能起到决定性作用。
针对成像系统的要求,研究提高组件性能的整体方案和具体技术途径,对于推动主动成像系统的发展具有重要意义。
本文介绍了主动成像原理及距离选通技术抑制大气后向散射的机理;
讨论了距离选通主动成像系统的构成和关键技术;
明确了用于主动成像的高功率脉冲半导体激光器组件的构成;
统筹考虑了LD功率合成方式、热传导结构、光束准直和装配工艺等关键技术环节,完成了LD组件的整体优化设计与制备。
采用有一定间隔的厘米条叠层堆砌阵列方案,提高了LD组件的输出功率;
设计了厘米条LD到热沉的热传导结构,通过热膨胀系数匹配片和软焊料对热应力的两级释放,实现了大热膨胀系数失配界面(厘米条LD与热沉)的低应力键合;
针对厘米条LD的光束质量差,直接应用困难的问题,分析了常见光束准直方法,并进行了光束准直实验;
采用金锡硬焊料工艺,替代传统的软焊料工艺,开展了脉冲叠层LD的装配实验研究;
进行了连续照明和脉冲照明的外场比对实验,观察到了后向散射的抑制效果。
关键词:
距离选通高功率组件脉冲半导体激光器光束准直
ABSTRACT
As
onaacoreelementofrange—gatedactiveimagingsystem,thehi。
ghpowerLDunitisplaydecisiveeffect.Itisveryimportanttopromotethedevelopmentofactiveimaging
thesystemforthedemandoftheactiveimagingsystemtoresearchonhowtoimprove
performanceoftheunittothewholeprogrammeand
Theauthorhasin仃oducedthemechanismof
scatteringandtheprincipleofactivetechnologymode.howtosuppessortheatmosphericbackhasexpoundtheimagingandrange-gated;
it
imagingcompositionandkeytechniqueoftherange・・gated-・active
thecompositionofhighsystem;
ithasexpressedithasgivepowerpulsedLDforactiveimagingsystem;
andanoverallconsiderthekeyprocesssuchas:
themethodforpower-composite、thestructureofthermaltransmittance、beamcollimationandmountingprocess.Ithascompletedthedesignfortheentirelyoptimizationandpreparation.Ithasincreasedtheoutput
thecmbarstackarraywithspace;
Ithasdesignedthe
cmbarLDtoitsheatsink.IthasrealizedlowpowerbyadoptedthermaltransmittancestructurefromstressforbondinggreatTECmismuch
thefrequentlywaytobeaminterface(erabar
collimationLDanditsheatsink).Ithasanalysedandhasexperimentedagainsttheproblemofthebad
todirectapplication.Ithasreplacedthebeamqualityandtheproblembehardtraditionalsoftsolderprocess、^,itll
thegold-tiIlhardsolderprocess.experiment
outdoorcomparisonexperimentforandresearchforpulseLDstacklaserilluminationmountting,lasercontinuousandpulsedillumination.Aftertllatweobservedthedepressedeffectiveofatmosphericbackscattering.Keywords:
range-gatedhighpowerpulsedLDunitbeamcollimationⅡ
研究生学位论文原创性声明和版权使用授权说明
原创性声明
我以诚信声明:
本人呈交的硕士学位论文是在张剑家研究员指导下开展研究工作所取得的研究成果。
文中关于“半导体激光器的封装和主动成像外场实验"的内容和关于“采用距离选通技术的激光主动成像系统,可以显著降低激光传输过程中后向散射对成像质量和作用距离的影响”的结论系本人独立研究得出,不包含他人研究成果。
所引用他人之思路、方法、观点、认识均已在参考文献中明确标注,所引用他人之数据、图件、资料均已征得所有者同意,并且也有明确标注,对论文的完成提供过帮助的有关人员也已在文中说明并致以谢意。
学位论文作者5签字):
翟呶‰签字Et期:
如口诈6月f2,日
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学位论文作者(签字):
己哦怕签字日期:
勘沁’年6月t')-4t
第一章绪论
1.1引言
目前夜视领域基本以被动成像为主,依靠物体反射自然光或自身辐射成像,其典型代表就是微光夜视仪和红外热像仪。
像增强CCD(ICCD)是在微光夜视仪基础上发展起来的光电成像器件,是像增强器、传像束和低照度CCD三项技术的整合体。
随着对成像系统性能需求的不断提高,要求微光夜视成像系统的作用距离更远、低照度适应能力更强。
采用半导体激光器(LD)作为照明光源的主动成像技术,是使微光夜视成像系统的作用距离大幅度提高并能够在更低的照度下工作的有效途径之一。
同时,主动微光夜视成像系统在零照度成像、深空目标成像、散射介质中成像和水下成像等领域也有广泛的应用前景。
半导体激光器在体积、重量、寿命、电光效率和直接调制特性等方面具有其它种类激光器无法比拟的优越性,因此可作为很多领域应用中的理想光源。
但半导体激光器的缺点也十分突出,光束质量与其它种类激光器差距悬殊,存在严重的像散和不均匀性。
输出光束发散角大,且两轴方向极不对称,通常需对输出光束进行准直和整形才能在上述领域中应用。
在半导体激光器的研制中,往往追求器件的高功率输出,而忽视了半导体激光器的热传导结构及焊装工艺对光束准直和整形的影响,增大了光束准直和整形技术难度,使系统复杂,效率低。
如果运用系统工程思想对半导体激光器和光学系统进行统筹设计,可使系统体积小、效率高,便于集成和使用。
1.2用于主动成像的半导体激光器组件国内外研究状况n‘1们
美国鲍尔太空技术公司(BATC)采用波长807nm、峰值功率760W的脉冲半导体激光器组件作为核心元件,用于主动门控电视系统(AGTV)的照明器。
该半导体激光器组件的平均功率IOOmW--一22W可调,脉冲宽度0.25一--2Ds,重复频率13kHz,采用液氮制冷。
光束发散角1。
×
2.3。
,接收视场2.25。
和10。
,可手动选择。
1990年,BATC公司采用波长为807nm、峰值功率780W的半导体激光器组件作为照明器核心元件,用于为AC一130U开发的视频图像探测系统AGTV。
LD组件的平均功率30W,脉冲宽度0.25---2Ds,重复频率13kHz,光束发散角1。
。
光学系统口径280mm,焦距2.6m,图像传感器使用ICCD,系统可以在高湿度、高水汽的夜间以100%的正确率识别1Ikm处的目标。
加拿大光子学研究开发中心采用波长810nm、峰值功率为1280W的半导体激光器组件作为第一代主动成像系统ALBEDOS照明器的核心元件。
其脉冲宽度0.1--.2.0us,重复频率5—15kHz,最大平均功率13W。
组件采用lO个BAR条串联叠层,每BAR含有13个发光区。
光束发散角2。
可选,接收视场12。
和24。
可手动选择,景深15"-'300m。
ALBEDOS系统采用了BATC公司的三代微光电视和48倍连续变焦镜头(16mm-800mm)。
可以观测到1.5km处大船的名称和3km左右的车辆和建筑物;
合作目标的作用距离最远可
达8km。
系统基于距离门选通技术,对后向散射不敏感,对薄雾、雨雪的存在也不敏感,适合在天气条件很差的夜晚工作。
1996年,美国激光应用小组“ScorpWorks",采用波长为808rim、平均功率14W的半导体激光器组件作为照明器核心元件,用于CG--30搜救与营救激光系统。
组件的制作过程是将两只平均功率15W的半导体激光器分别与芯径600I-un光纤耦合,然后再合柬耦合到一根芯径600pzn的光纤中。
该系统通过黑白硅CCD照相机在近红外区成像。
激光和照相机视场的匹配是通过安装在照相机上的可调焦镜头和激光器聚焦的电子控制来实现的。
可以完成1.6km范围内的海上搜救任务。
1998年,加拿大WESCAM公司将波长为855nm、峰值功率为1780W的半导体激光器组件,用于其研制的第二代系统ELVISS的照明器。
组件脉宽为0.1~2.0uS,重复频率15kHz,最大平均功率提至20W,照明器光束发散角为1.48。
相机装有双视场镜头,接收视场为5。
和20。
ELVISS是一个多传感器的增强型低光照可见和红外监视系统。
它采用新的具有减反射膜的变焦距镜头,镜头焦距16-一800mm,镜头直径97.5m。
传感器使用三代像增强相机,最大作用距离8km,已装备Bell412直升机。
2002年,加拿大INO公司采用波长为810hm、峰值功率为168W的半导体激光器组件作为其研制的第三代主动成像系统ATV-2000i的照明器核心元件。
该组件采用20个厘米条(BAR)LD串联叠层,每个BAR条由10个150pro发光区组成,单发光区间距1000pm。
组件的LD快轴方向采用梯度折射率微透镜阵列准直,慢轴上由平凸圆柱微透镜阵列准直。
脉冲宽度0.2---2.5IJS,重复频率1-15kHz,最大占空比为3.15%,平均功率5.3W,光束的发散角为0.9。
X1.4。
组件采用热电制冷器控制温度,并使用大面积散热片和强制风冷,以带走组件和热电制冷器的废热。
镜头焦距为480mm-~3100mm五档可调,有效孔径90mm,透过率为70%。
接收器为超二代像增强CCDEOSl340,它采用了增强的S一25光电阴极射线管,响应时间仅为典型三代GaAs光电阴极管的一半。
可以识别lkm内30cm宽、lOcm高,字母大小为3c瞌右的汽车铭牌,最大作用距离达到4kan。
公司的研究人员估算如果将激光平均功率增加到20W,最大作用距离可达lOkm。
2004年,英国VolgaTechnology公司推出的叠层脉冲高功率半导体激光器L21,峰值功率为1000W,波长808rim,工作
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