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平行光D1经过微透镜阵列L1被分割为多个子光束,各子光束在经过微透镜阵列L2的对应子透镜单元进行匀化,最后经过聚焦透镜L3积分叠加实现光场的平顶分布。子透镜直径为p,焦距为f,两阵列间的距离为d0。聚焦透镜L3焦距为fL3,L2与L3之间的距离为d1,焦平面上匀化光斑长度为D2。
为准确分析焦平面匀化光斑的光场分布,采用傅里叶光学对匀化光场进行分析。入射光为波长λ的平行单色平面波,L1和L2均由2n+1个子透镜组成。微透镜阵列的传输函数[22-23]为:
$ \begin{gathered} T\left(y_1\right)=\sum\limits_{N=-n}^n \delta\left(y_1-p N\right) \otimes \operatorname{rect}\left(\frac{y_1}{p}\right) \times \\ \exp \left(-\mathrm{i} k \frac{y_1{ }^2}{2 f}\right) \end{gathered} $
(1) 式中:N表示微透镜数量;δ(y1-pN)表示脉冲函数;k表示波数;y1表示微透镜阵列L1在y方向的函数分量。
用E(y1, z)表示在微透镜阵列L1处的光场分布函数,当入射光经过L1时,从z1-平面到z1+平面,此时的光场分布为:
$ E\left(y_1, z_1^{+}\right)=E\left(y_1, z_1^{-}\right) T\left(y_1\right)= \\ \sum\limits_{N=-n}^n \delta\left(y_1-p N\right) \otimes \operatorname{rect}\left(\frac{y_1}{p}\right) \exp \left(-\mathrm{i} k \frac{y_1{ }^2}{2 f}\right) $
(2) 光场E(y1, z1+)经过d0距离,从z1+平面到z2-平面,由菲涅耳衍射公式推导变换可得:
$ \begin{gathered} E\left(y_2, z_2^{-}\right)= \\ \frac{\exp \left(\mathrm{i} k d_0\right)}{\mathrm{i} \lambda d_0} \int E\left(y_1, z_1^{+}\right) \exp \left[\frac{\mathrm{i} k\left(y_2-y_1\right)^2}{2 d_0}\right] \mathrm{d} y_1= \\ \frac{\exp \left(\mathrm{i} k d_0\right)}{\mathrm{i} \lambda d_0} \exp \left(\frac{\mathrm{i} k y_2^2}{d_0}\right) \times \\ \frac{\sin \left[\pi(2 n+1) p y_2 /\left(\lambda d_0\right)\right]}{\pi y_2 /\left(\lambda d_0\right)} \end{gathered} $
(3) 式中:y2表示微透镜阵列L2在y方向的函数分量;在经过L2时,从z2-平面到z2+平面,此时的光场分布变化为:
$ \begin{gathered} E\left(y_2, z_2^{+}\right)=E\left(y_2, z_2^{-}\right) T\left(y_2\right)= \\ \frac{\sin \left[\pi(2 n+1) p y_2 /\left(\lambda d_0\right)\right]}{\pi y_2 /\left(\lambda d_0\right)} \times \\ \sum\limits_{N=-n}^n \delta\left(y_2-p N\right) \otimes \operatorname{rect}\left(\frac{y_2}{p}\right) \end{gathered} $
(4) 式中:E(y2, z)表示在微透镜阵列L2处的场分布函数;y2表示微透镜阵列L2在y方向的函数分量;E(y2, z2+)经过一定距离d1处的傅里叶透镜L3后,在透镜后焦面上的光场分布E(y4, z4)为:
$ \begin{gathered} E\left(y_4, z_4\right)=\mathscr{F}\left[E\left(y_2, z_2^{+}\right)\right]= \\ \mathscr{F}\left\{\frac{\sin \left[\pi(2 n+1) p y_2 /\left(\lambda d_0\right)\right]}{\pi y_2 /\left(\lambda d_0\right)} \sum\limits_{N=-n}^n \delta\left(y_2-p N\right) \otimes\right. \\ \left.\operatorname{rect}\left(\frac{y_2}{p}\right)\right\}=(2 n+1) p \operatorname{sinc}\left[\frac{(2 n+1) p y_4}{\lambda f_{\mathrm{L}_3}}\right] \otimes \\ \lambda d_0 \operatorname{rect}\left[\frac{\lambda d_0 y_4 /\left(\lambda f_{\mathrm{L}_3}\right)}{(2 n+1) p}\right] \end{gathered} $
(5) 式中:E(y4, z4)表示在成像平面z4处的场分布函数;y4表示成像平面z4在y方向的函数分量;$ \mathscr{F}$表示傅里叶变换。由上述结果可知,在微透镜阵列的光场解析式中,卷积前为sinc函数,卷积后为rect函数。rect函数可看成子透镜的衍射光场,sinc函数可看成是多缝干涉光场。因此,成像光斑可理解为由单个透镜的衍射与2n+1个狭缝的干涉共同作用的场分布。
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使用相关软件模拟方形微透镜阵列匀光时的光场分布。模拟光源采用450 nm蓝光光源,对比微透镜阵列中的不同子透镜孔径p及其焦距f, 以及不同聚焦透镜焦距F对匀化效果的影响,分析匀化光斑与微透镜阵列以及聚焦透镜的关系。
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为研究微透镜阵列与匀化光斑的关系,首先固定微透镜阵列的焦距f=14 mm、聚焦透镜焦距F=100 mm,改变子透镜孔径p的大小,分析子透镜孔径对匀化光斑的影响。这里对光斑均匀度进行定义:
$ H=1-\frac{I_{\max }-I_{\min }}{I_{\max }} \times 100 \%H=1-\frac{I_{\max }-I_{\min }}{I_{\max }} \times 100 \% $
(6) 式中:Imax表示最大光强;Imin表示最小光强;H表示光斑均匀度。
由图 2a可以看出,匀化光斑尺寸随着子透镜孔径p的增大而增大,与光斑均匀度呈正相关。其原因是:当孔径p增大时,单个子透镜的衍射强度变小,同时子光束间的干涉强度也减弱,使光束均匀度得到提高。当采用子透镜孔径为1 mm的微透镜阵列进行匀光时,光斑均匀度为91.1%。
图 2b为匀化光斑光场分布与微透镜阵列子透镜焦距f的关系。其中孔径p及聚焦透镜的焦距F不变。可以看出,匀化光斑尺寸随着子透镜焦距的增大而减小,光斑均匀度呈近平顶分布,其原因是子透镜的焦距不影响子光束间的干涉及衍射特性。因此焦距的改变对光斑大小有直接影响,而对场分布的影响较小。当采用子透镜焦距为20 mm的微透镜阵列进行匀光时,光斑均匀度为95.4%。
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为研究聚焦透镜与匀化光斑的关系,微透镜阵列中固定f=14 mm、p=0.3 mm,改变聚焦透镜的焦距F的大小,分析其对匀化光斑的影响。由图 3可以看出,匀化光斑尺寸随着聚焦透镜焦距的增大而增大,而匀化光斑的均匀度整体呈近平顶分布,其原因是聚焦透镜焦距的改变不会影响光束的衍射特性,因此匀化光斑的均匀性变化较小。当采用焦距为100 mm的聚焦透镜进行积分叠加时,可得光斑均匀度为92.2%。综上所述,采用孔径尺寸较大、焦距较小的子透镜单元以及长焦距的聚焦透镜可得到大视场、高均匀性的匀化光斑,仿真得到光斑均匀性可达90%以上。
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根据模拟仿真的结果,对所设计的蓝光匀光系统进行实验研究。采用输出光纤芯径为105 μm、数值孔径为0.15且中心波长为450 nm的蓝光光纤耦合半导体激光二极管(laser diode, LD)作为匀化光源,输出功率约500 mW。光纤输出后经过焦距为-35 mm的凹透镜L1和150 mm的凸透镜L2进行扩束准直,经过准直后的光束入射至微透镜阵列组(lensing array, LA)LA1和LA2进行分割、匀化,最后经过聚焦透镜积分叠加在电荷耦合器件(charge-coupled device, CCD)焦平面处成像,实验装置图如图 4所示。
图 4 蓝光微透镜阵列匀化实验示意图
Figure 4. Schematic diagram of blue light microlens array homogenization experiment
由仿真结果可知,使用子孔径较大、焦距较小的微透镜阵列以及长焦距的聚焦透镜可得到高均匀性的匀化光斑,因此采用两组具有不同孔径和焦距的微透镜阵列组进行对照组实验,验证仿真结果的可行性,为搭建高均匀性蓝光匀化系统提供实验支撑,其中微透镜阵列的镀膜波段为400 nm~900 nm,具体参数见表 1。采用菲涅耳透镜作为聚焦透镜,分别采用焦距为80 mm、100 mm的菲涅耳透镜进行聚焦成像。
表 1 微透镜阵列参数
Table 1. Microlens array parameters
cylindrical microlens arrays dimensions/mm pitch /mm effective focal length /mm thickness/mm 1 10×10 0.3×0.3 14.2 1.2 2 10×10 0.3×0.3 14.2 1.2 3 10×9.8 1×1.4 4.7 1.2 4 10×9.8 1×1.4 4.7 1.2 采用14.2 mm长焦距微透镜阵列1、2为一组LA1、LA2进行匀化,该组微透镜阵列的子透镜孔径为方形孔径;在以4.7 mm短焦距微透镜阵列3、4为一组LA1、LA2,该组微透镜阵列的子透镜孔径为矩形孔径。
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从图 5a和图 6a可以看出,采用长焦距微透镜阵列组在不同焦距的菲涅耳透镜聚焦下的近场光斑均呈现出明暗相间的分布。其原因是准直后的光束是经过微透镜阵列中子透镜单元切割、分束处理的:一方面这种紧密排列且均匀分布的子透镜结构会使得聚焦光斑在焦平面处呈点阵分布;另一方面经过切割的子光束之间存在多光束干涉,从而会在焦平面上产生一定的干涉条纹,造成明暗相间的分布。由图 5b和图 6b可以看出,100 mm的菲涅耳透镜聚焦匀化的光斑尺寸要比80 mm的菲涅耳透镜聚焦匀化的光斑尺寸要大,与仿真结论相一致,说明匀化光斑尺寸与聚焦透镜焦距呈正相关。
图 7为长焦距微透镜阵列匀化系统的功率变化分布。可以看出,相较于光纤耦合输出的功率曲线,匀化后的功率出现了约25%能量的衰减,造成此部分损失的主要原因是:实验中所使用的扩束透镜组及菲涅耳透镜均未做镀膜处理,透镜前后表面的镜面反射损耗造成此部分能量损失。
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从图 8a和图 9a可以看出,短焦距微透镜阵列组在不同焦距的菲涅耳透镜聚焦下也实现了光束匀化,光束在目标平面上呈均匀的矩形光斑。
从图 10可以看出,光斑大小与聚焦透镜焦距呈正相关,与峰值光强呈负相关。根据式(6)计算可得,使用80 mm菲涅耳透镜匀光得到的光斑均匀性达78.4%,而使用100 mm菲涅耳透镜匀光得到的光斑均匀性可达87.6%,相较于仿真得到的光斑均匀度要偏小。其原因有二:一是微透镜阵列组在子单元之间的对准,如果两片微透镜阵列的子单元存在对准误差,则会影响匀化光斑的均匀性;二是本实验中采用的是菲涅耳透镜作为积分透镜,菲涅耳透镜是同心环结构透镜,同心环的环距和环尺寸会影响匀化效果。以上两组实验结果说明,匀化光斑的形状、大小和均匀性与微透镜阵列的子透镜单元结构、焦距及聚焦透镜的焦距相关。
图 10 短焦微阵列透镜匀化光斑光强分布
Figure 10. Intensity distribution of homogenized spot in short focal microarray lens
图 11为短焦距微透镜阵列匀化系统的功率变化分布。可以看出,相较于光纤耦合输出的功率曲线,匀化后的功率出现了约26%能量的衰减,造成此部分损失原因有以下几个因素:一是实验中所使用的扩束透镜组及菲涅耳透镜均未做镀膜处理;二是光路准直及微透镜阵列对准过程中也造成能量的损耗。
基于微透镜阵列的蓝光匀化系统设计及实验研究
Design and experimental research of blue light homogenization system based on microlens array
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摘要: 为了提高蓝光半导体激光器光束的均匀性,采用傅里叶光学理论建立匀光系统数学模型并进行理论分析,运用相关软件对匀光系统进行仿真模拟,搭建了一套基于微透镜阵列的蓝光匀光系统,利用该系统得到光斑均匀性为87.6%的匀化光斑。结果表明,匀化光斑的均匀性不仅与微透镜阵列子透镜的焦距和孔径相关,也与聚焦透镜的焦距相关,采用焦距为100 mm的菲涅耳透镜得到的匀化光斑均匀度要比焦距为80 mm的菲涅耳透镜得到的匀化光斑均匀度高约9.2%。该研究为具有较高集成度和较轻体积的蓝光光束匀光系统提供了理论和设计思路。Abstract: In order to improve the uniformity of the blue light semiconductor laser beam, a mathematical model of the uniform light system was established using Fourier optics theory, and theoretical analysis was conducted. The uniform light system was simulated using software, and a blue light uniform light system based on a microlens array was built. By using this system, a uniform light spot with a uniformity of 87.6% was obtained. The experimental results show that the uniformity of the homogenized spot is not only related to the focal length and aperture of the microlens array sublens, but also to the focal length of the focusing lens. The uniformity of the homogenized light spot obtained by using a Fresnel lens with a focal length of 100 mm is about 9.2% higher than that obtained by a Fresnel lens with a focal length of 80 mm. This study provides theoretical and design ideas for a blue light beam uniform system with high integration and light volume.
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Key words:
- lasers /
- optical design /
- Fourier optics /
- homogenize
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表 1 微透镜阵列参数
Table 1. Microlens array parameters
cylindrical microlens arrays dimensions/mm pitch /mm effective focal length /mm thickness/mm 1 10×10 0.3×0.3 14.2 1.2 2 10×10 0.3×0.3 14.2 1.2 3 10×9.8 1×1.4 4.7 1.2 4 10×9.8 1×1.4 4.7 1.2 -
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