宽发射面激光二极管作为泵浦源在全固态激光器中得到了广泛的应用, 但由于快慢轴发散角太大和发光面的不对称, 所以需要对其进行光束整形。针对发光面为1 μm(快轴)×200 μm(慢轴)且远场光斑为矩形光斑的宽发射面激光二极管, 分析了输出光束在平行于p-n结方向上光场(侧模)的多光丝分布特性。通过在ZEMAX非序列里, 设置合理的光丝间隔、尺寸和以纵模为间隔的多个波长, 模拟了与实际相符的远场光斑。利用圆柱透镜压缩激光二极管快轴发散角, 再用自聚焦透镜进行聚焦, 最后在离自聚焦透镜后端面1.8 mm处得到快慢轴方向长分别为0.15 mm×0.17 mm的方形光斑, 且快慢轴方向发散角分别为3.3°×2.4°。同时, 通过实验逐步比较了光束通过每一个光学元件后光斑形状的变化和光强分布, 结果表明: 宽发射面激光二极管光束整形中, 通过引入侧模光丝结构的矩形光斑模拟方法是可行的。

为了满足半导体激光器线阵的远距离应用要求，需要对激光束进行准直处理。提出了一种由垂直双半圆柱透镜组合阵列构成的准直器，采用光线追迹的方法推导了激光束通过准直器的传输方程，分析了光线出射角与透镜阵列参数之间的关系，得出了准直器的最优设计参数，然后在Zemax-EE 非序列模式下仿真了此准直器的三维效果图以及探测器成像效果，得到的激光光斑接近于矩形，非相干照度集中在中央区域，并且经过准直器后的发散角大约为3 mrad。设计的准直透镜可以同时压缩快慢轴的激光束发散角，制作简单，安装方便。

运用光线追迹的方法,讨论了异轴双半圆柱透镜准直半导体激光光束的效率数值模拟结果表明,异轴双半圆柱透镜可用于准直半导体激光光束,在最佳准直时,透镜材料的折射率允许高于2;当折射率在一定的范围内变化时,其准直效率随折射率的增大而提高.理论上可以将半导体激光器输出光束快轴方向的发散角压缩到0.1 mrad量级以下.

柱透镜被广泛运用于准直半导体激光光束,而普通圆柱透镜准直能力并不高,为了克服这一不足,提出一种新的柱透镜结构：双半圆柱透镜(DHCL);基于光线传输理论导出该结构柱透镜准直激光光束的基本公式并给出数值模拟的结果。理论分析和数值模拟均表明：在用于准直半导体激光器输出光束方面,双半圆柱透镜突破了普通圆柱透镜在最佳准直时对透镜材料折射率的限制,提高了结构设计和材料选择的灵活性;特别是在高折射率条件下,双半圆柱透镜对光束的准直能力远远超过了普通圆柱透镜。理论上可以将半导体激光光束快轴方向发散角压缩到0.1 mrad的量级。

根据光线传输的基本原理,通过计算和推导,用解析式表达并讨论了半导体激光器快轴方向发散光束通过圆柱透镜后的准直特性、光强分布和光能转换效率与圆柱透镜的半径、介质折射率、介质损耗、安装距离等可调参数以及界面反射的关系。说明了安装位置直接影响到准直效果;透镜半径、折射率和介质损耗不仅影响到准直后光斑的大小、光强分布和光能转换效率,而且影响到偏振状态的重新分布,因此,要获得最佳准直效果必须略微离焦安装;还需根据具体使用要求综合考虑各参数对光斑大小、光强分布和光能转换效率的影响,以采用适当的参数,并考虑是否进行增透处理。为正确认识和使用微圆柱透镜改善半导体激光快轴方向光束的发散,提高光束质量提供了理论依据。