光谱合束是指通过衍射光栅的色散作用,将不同波长和不同角度的入射光束以相同角度出射的过程。光谱合束能大大改善半导体激光器阵列的光束质量,并实现大功率激光的输出,这对于扩大半导体激光器在军事、工业和民生领域的应用具有重要意义。本文主要在ZEMAX软件中设计并仿真了双光栅光谱合束系统,该系统由发光单元、准直模块和合束模块所组成。本文主要的研究内容如下:(1)介绍了半导体激光器的发光机理、传输特性以及其光束质量的表征方式,阐释了双光栅光谱合束的基本原理和优势;以此为基础,完成了发光单元的设计和选取,计算得到了发光单元的发散角、束腰半径和像散距离,以及各个发光单元之间的中心波长以及入射角;(2)设计了双光栅光谱合束的准直模块,该模块包含快轴准直透镜和慢轴准直透镜。快轴准直镜为平面和椭圆面形的平凸柱面镜,慢轴准直镜则为平面和圆面的柱面镜。进行了优化设计后,该准直模块对于半导体激光器阵列所发出的发散光束具有良好的准直效果;(3)设计了双光栅光谱合束的合束模块,该模块由一对参数完全相同、相互平行的色散光栅所组成。尽管考虑光源线宽会导致合束光斑的光束质量略有下降,但本文所设计的双光栅光谱合束系统都具有优秀的合束性能,其光束质量接近于单管半导体激光器。当线宽为0.4 nm时,快轴和慢轴的光束质量M~2因子分别为1.7707和1.7706;(4)研究了聚焦光栅角度误差对于合束过程的影响,其角度误差分为聚焦光栅平面发生旋转所导致的聚焦光栅处慢轴方向入射角误差,以及光栅刻线旋转一定角度所引起的快轴和慢轴方向上的光栅常数误差。前者对于光谱合束的影响较小,后者对于光谱合束的影响较大,在实际操作中需要尽量避免和克服。