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为了提升高功率固体激光器抽运光束的均匀性,研究了成像型和非成像型光束积分系统光束匀化机理。从光斑尺寸、最大入射角及光斑均匀性三个方面,详细对比了两种积分系统的性能特点。分析表明,成像型光束积分系统不但具有更好的匀化效果,相比非成像型还降低了对半导体激光器(LD)光束准直的要求,并且可调整微透镜阵列间距实现光斑尺寸的改变,拓展了系统应用范围。经实验测试,在照明范围内LD阵列光束经成像型积分系统后光斑不均匀性小于10%。
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书书书
第
39
卷
第
7
期
中
国
激
光
Vol.39
,
No.7
2012
年
7
月
犆犎犐犖犈犛犈犑犗犝犚犖犃犔犗犉犔犃犛犈犚犛
犑狌犾
狔
,
2012
基于微透镜阵列的光束积分系统的性能分析
殷智勇
1
汪岳峰
1
贾文武
1
杨晓杰
2
雷呈强
1
强继平
1
1
军械工程学院光学与电子工程系,河北 石家庄
050003
2
中国人民解放军
63898
部队,河南 济源
( )
454650
摘要
为了提升高功率固体激光器抽运光束的均匀性,研究了成像型和非成像型 光束 积分系 统光 束匀化 机理。从
光斑尺寸、最大入射角及光斑均匀性三个方面,详细对比了两种积分系统的性能 特点。分 析表 明,成像 型光 束积分
系统不但具有更好的匀化效果,相比非成像型还降低了对半导体激 光器(
LD
)光 束准直 的要 求,并 且可调 整微 透镜
阵列间距实现光斑尺寸的改变,拓展了系统应用范围。经实验测试,在照明范围内
LD
阵列光束经成像型积分系统
后光斑不均匀性小于
10%
。
关键词
光学设计;均匀化;高斯光束;相干光
中图分类号
TN245
文献标识码
A
犱狅犻
:
10.3788
/
犆犑犔201239.0702007
犘犲狉犳狅狉犿犪狀犮犲犃狀犪犾
狔
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狊狋犲犿 犅犪狊犲犱狅狀
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1
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1
犑犻犪犠犲狀狑狌
1
犢犪狀
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犡犻犪狅
犼
犻犲
2
犔犲犻犆犺犲狀
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犻犪狀
犵
1
犙犻犪狀
犵
犑犻
狆
犻狀
犵
1
1
犗
狆
狋犻犮狊牔犈犾犲犮狋狉犻犮狊犈狀
犵
犻狀犲犲狉犻狀
犵
犇犲
狆
犪狉狋犿犲狀狋
,
犗狉犱狀犪狀犮犲犈狀
犵
犻狀犲犲狉犻狀
犵
犆狅犾犾犲
犵
犲
,
犛犺犻
犼
犻犪狕犺狌犪狀
犵
,
犎犲犫犲犻
050003
,
犆犺犻狀犪
2
犜犺犲犝狀犻狋
63898
狅
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狋犺犲犘犲狅
狆
犾犲
′
狊犔犻犫犲狉犪狋犻狅狀犃狉犿
狔
,
犑犻
狔
狌犪狀
,
犎犲狀犪狀
454650
,
( )
犆犺犻狀犪
犃犫狊狋狉犪犮狋
犐狀狅狉犱犲狉狋狅犻犿
狆
狉狅狏犲狋犺犲
狆
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狆
犫犲犪犿犺狅犿狅
犵
犲狀犲犻狋
狔
狅犳犺犻
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犺
狆
狅狑犲狉狊狅犾犻犱狊狋犪狋犲犾犪狊犲狉
,
狋犺犲犫犪狊犻犮狋犺犲狅狉
狔
狅犳犫犲犪犿
犺狅犿狅
犵
犲狀犻狕犪狋犻狅狀狑犻狋犺犻犿犪
犵
犻狀
犵
犪狀犱狀狅狀犻犿犪
犵
犻狀
犵
犫犲犪犿犻狀狋犲
犵
狉犪狋狅狉狊
狔
狊狋犲犿狊犻狊犪狀犪犾
狔
狕犲犱.犕犪犻狀犾
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犳狉狅犿狋犺狉犲犲犪狊
狆
犲犮狋狊
,
犻.犲.
,
狊
狆
狅狋狊犻狕犲
,
犿犪狓犻犿狌犿 犻狀犮犻犱犲狀狋犪狀
犵
犾犲 犪狀犱 狊
狆
狅狋犺狅犿狅
犵
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狔
,
狆
犲狉犳狅狉犿犪狀犮犲狊狅犳犫狅狋犺 犫犲犪犿 犻狀狋犲
犵
狉犪狋狅狉狊
狔
狊狋犲犿狊犪狉犲
犮狅犿
狆
犪狉犲犱犻狀犱犲狋犪犻犾.犜犺犲犪狀犪犾
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狊犻狊狊犺狅狑狊狋犺犪狋犻犿犪
犵
犻狀
犵
犫犲犪犿犻狀狋犲
犵
狉犪狋狅狉狊
狔
狊狋犲犿狀狅狋狅狀犾
狔狆
狉狅狏犻犱犲狊犫犲狋狋犲狉犺狅犿狅
犵
犲狀犻狕犪狋犻狅狀
犲犳犳犲犮狋犪狀犱狉犲犱狌犮犲狊狋犺犲狉犲
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犵
犻狀
犵
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犵
狉犪狋狅狉狊
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狊狋犲犿
,
犫狌狋犪犾狊狅犮犪狀犮犺犪狀
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狋犺犲犱犻狊狋犪狀犮犲犫犲狋狑犲犲狀狋狑狅犿犻犮狉狅犾犲狀狊犪狉狉犪
狔
狊犻狀狅狉犱犲狉狋狅犲狓狋犲狀犱犻狋狊犪
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犾犻犮犪犫犾犲犳犻犲犾犱.犃犳狋犲狉
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犪狊狊犻狀
犵
狋犺狉狅狌
犵
犺狋犺犲犻犿犪
犵
犻狀
犵
犫犲犪犿犻狀狋犲
犵
狉犪狋狅狉狊
狔
狊狋犲犿
,
狋犺犲狊
狆
狅狋犻狀犺狅犿狅
犵
犲狀犲犻狋
狔
狅犳犾犪狊犲狉犱犻狅犱犲狊狋犪犮犽狊犻狊犾犲狊狊狋犺犪狀10%犻狀狋犺犲犻犾犾狌犿犻狀犪狋犻狅狀犪狉犲犪.
犓犲
狔
狑狅狉犱狊
狅
狆
狋犻犮犪犾犱犲狊犻
犵
狀
;
犺狅犿狅
犵
犲狀犲犻狋
狔
;
犌犪狌狊狊犻犪狀犫犲犪犿
;
犮狅犺犲狉犲狀狋犾犻
犵
犺狋
犗犆犐犛犮狅犱犲狊
220.2945
;
140.5560
;
140.2020
收稿日期:
20120306
;收到修改稿日期:
20120408
基金项目:国家
863
计划资助课题。
作者简介:殷智勇(
1984
—),男,博士研究生,主要从事固体激光和激光光束整形技术等方面的研究。
Email
:
y
z
y
8465
@
163.com
导师简介:汪岳峰(
1963
—),男,教授,博士生导师,主要从事固体激光器、光电检测技术等方面的研究。
Email
:
y
fwan
g
.OEC
@
163.com
1
引
言
大功率半导体激光器(
LD
)具有高功率、高转换
效率及工作时间长 等特点,已经成 为 高能固体 激 光
器的主要抽运光源。但由于
LD
自身特性使得抽运
光斑并不均匀,这将 直 接影响固 体 激光器功 率 水平
的提高
[
1
~
5
]
。为了 实 现 均 匀 平 顶 型 光 场 分布,需 通
过光学系 统 对其 进 行 激 光 光 束 整 形
。 微 透 镜 阵 列
(
MLA
)具有体积小、质量轻、传输损耗小等特点,构
成的整形系统结构简单、使用灵活,得到了广泛的应
用。
Schreiber
等
[
6
,
7
]
对基于微透镜阵列的整形系 统
进行了原理上的分 析,并 通过发光 二 极管照明 微 透
镜阵列得到了高 均 匀度的光 斑。在国 内,黄 峰 等
[
8
]
07020071
中
国
激
光
通过光线追迹方法对空心导管、波导管、二元光学元
件与微透镜阵列进 行比较,其结论 为 微透镜阵 列 具
有更好的匀化光束的能力。
为了进一步研究基于微透镜阵列的
LD
光束整
形理论,本文以
LD
快 轴 方 向 上 的 高 斯 光 束 为 入 射
波,运用菲涅耳衍射 理 论分析高 斯 光束经光 束 积分
系统后所产生的干 涉 与衍射对 光 斑均匀性 的 影响
,
并比较非成像型与 成 像型微透 镜 阵列的匀 束 性能,
从而为基于微透镜阵列的光束积分系统的研究和设
计提供指导。
2
微透镜阵列匀束原理
基于微透镜阵列的光束积分系统包括非成像型
与成像型两种。非成像型光束积分系统由单列
犿
×
狀
个微透镜阵列(子透镜孔径为
狆
,焦距为
犳
1
)和一
焦距为
犳
F
的傅里叶透镜(
FL
)组成
[
9
]
,如图
1
所示。
图
1
非成像型多孔径光束积分系统
Fi
g
.1 Nonima
g
in
g
multia
p
erturebeam
inte
g
rators
y
stem
微透镜阵列振幅透射比为
犜
(
狓
,
狔
):
犜
(
狓
,
狔
)
=
∑
犿
犕
=
0
∑
狀
犖
=
0
σ
(
狓
-
狆
犕
,
狔
-
狆
犖
)
rect
狓
狆
,
狔
( )
狆
×
ex
p
-
i
犽
狓
2
+
狔
2
2
犳
( )
1
,(
1
)
式中
表示卷积。
成 像 型 多 孔 径 光 束 积 分 系 统 基 于 著 名 的
Kohler
照明系统。与非成像型不 同,成像型系统 由
两 列 串 联 的 微 透 镜 阵 列 和 一 个 傅 里 叶 透 镜 组
成
[
10
,
11
]
。两列微 透 镜 阵列 形 成 多 组平 行 的
Kohler
照明系统,其中每一子透镜都完全相同,两列之间距
离为
犱
1
。第二 列 微 透 镜 阵 列 与 傅 里 叶 透镜 间 距 为
犱
2
,系 统 中 各 光 学 元 件 参 数 与 非 成 像 型 相 同。 如
图
2
所示,第一 列 微 透 镜 阵 列 将 入 射 光 束 分割 成 大
量的子光束,第二列 微 透镜阵列 则 与傅里叶 积 分透
镜一起,将这些子光 束 的像重叠 在 焦平面处 实 现平
顶型光强分布。
在实 际中,不 同应用对象 及不同的菲 涅耳数决
图
2
成像型多孔径光束积分系统
Fi
g
.2 Ima
g
in
g
multia
p
erturebeaminte
g
rators
y
stem
定着非成像型和成 像 型两种积 分 系统的使 用 范围。
通常在菲涅耳数比 较大的照 明 系统中,非成像 型 积
分系统就可以很好 地 满足光斑 均 匀性要求。 然而,
对于高功率激光整形系统而言,菲涅耳数较小,成像
型积分系统才是实现高度均匀平顶型远场分布的最
佳选择。
基于微透镜阵列的光束积分系统可实现对入射
光束的匀化作用
,以 下 对非成像 型 与成像型 两 种光
束积分系统进行重点分析。系统组成可分为两个部
分:
1
)单列或多列 微 透 镜 阵 列,用 来 将 入 射 光 分 割
成子光束并改变 相 位;
2
)光束积分或聚焦元件,实
现子光束在目标平 面处的积 分 叠加,在后焦面 处 进
行平移叠加,使得光场分布最终趋于平顶型。
3
理论模型
选用 高斯光束代 替常用的理 想平面波光 源,对
激光光束整形更具有实际意义。设入射 光束为沿
狕
轴方向传播的基模高斯光束
犝
(
狉
,
狕
)
=
ex
p
-
狉
2
ω
2
(
狕
[ ]
)
ex
p
i
犽
狉
2
2
犚
(
狕
[ ]
)
, (
2
)
非成像 型 多 孔 径光 束 积 分 系统 如 图
1
所 示,从
狕
-
0
平面到
狕
+
0
平面,
犝
(
狔
0
,
狕
+
0
)
=
犝
(
狔
0
,
狕
-
0
)
犜
(
狔
0
), (
3
)
从
狕
+
0
平面到
狕
-
1
平面,传输距离为
犱
,
犝
(
狔
1
,
狕
+
1
)
=
ex
p
(
i
犽犱
)
i
λ
犱
×
犝
(
狔
1
,
狕
+
0
)
ex
p
i
犽
狔
2
1
2
( )
犱
, (
4
)
从
狕
-
1
平面到
狕
f
平面,
犝
(
狔
f
,
狕
f
)
=
ex
p
i
犽
犳
( )
F
i
λ
犳
F
×
ex
p
(
i
犽犱
)
i
λ
犱
×
ex
p
(
i
犽
狔
2
f
)
2
犳
F
犉
犝
(
狔
1
,
狕
+
0
)
ex
p
i
犽
狔
2
1
2
( )
[ ]
犱
.
(
5
)
经傅里叶变换后可知目标平面的光场分布为
07020072
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