基于微透镜阵列光束均匀化的傅里叶分析

为了提高高功率固体激光器泵浦光束的均匀性,分析了成像型和衍射型微透镜阵列匀化光束的基本原理,基于菲涅尔衍射和傅里叶变换公式,推导出了微透镜阵列焦平面上光强分布的解析表达式,比较了两种光束微透镜阵列对光束匀化的效果。同时,研究了成像型微透镜阵列子透镜的相对孔径及微透镜阵列间距对光强分布的影响。结果表明,成像型微透镜阵列具有更好地匀化效果,且子透镜孔径是影响光束均匀性最主要的因素。     

衍射微透镜阵列用于面阵半导体激光光束匀化

提出了一种用衍射微透镜阵列对面阵半导体激光光束进行匀化的方法,解决了折射型微透镜阵列难于实现高填充因子、高精度面型的难题。基于标量衍射理论,设计了具有多阶相位结构的衍射微透镜阵列,推导了半导体激光从输入面到输出面的光场计算公式。数值模拟了非成像型微透镜阵列光束匀化系统,并对其进行了实验验证。当衍射微透镜的口径为0.125mm,相对孔径为0.1,相位台阶数为8时,测得焦斑在快轴方向的不均匀性为12.34%,能量利用率为96.6%;慢轴方向的不均匀性为5.42%,能量利用率为95.74%。实验结果与理论模拟的结果吻合,验证了衍射微透镜阵列光束匀化系统模型的可行性。     

基于微透镜阵列的高效率光纤耦合系统设计

光纤耦合是半导体激光器集成光源进一步改善输出光束质量和远距离传输的重要手段。然而,由于半导体激光器单管体积和散热的限制,合成后激光光源的输出光束光参量积仍较大,不利于与单根多模光纤的耦合;直接与光纤束耦合又受到光纤束填充比的限制。针对多个半导体激光器单管集成的光源,采用倒置前端光学放大系统,对合成光束直径进行压缩;并采用六方排列的微透镜阵列作为耦合元件,使其光瞳成像在光纤端面,从而实现微透镜与光纤的一对一耦合,得到理论无损耗的高效光纤耦合系统。为了改善光场边缘像差影响,采用空心光管进一步匀化光场分布,且减小了边缘光线的发散角,提高了边缘光线的成像质量,优化后的系统耦合效率达98%。这一系统利用微透镜阵列将光束分束、成像,克服了集成光源输出光束光参量积较大不易与单根光纤耦合的缺点;通过使微透镜的入瞳成像在光纤端面,且光纤束的排列与微透镜阵列排列相同,提高了光束与光纤束的耦合效率。     

衍射微透镜阵列用于半导体激光光束匀化

提出了一种用衍射微透镜阵列对半导体激光光束进行匀化的方法,解决了折射型微透镜阵列难于实现高填充因子、高精度面型的难题。基于标量衍射理论,设计了具有多阶相位结构的衍射微透镜阵列。采用菲涅耳衍射公式,推导了半导体激光从输入面到输出面的光场计算公式。数值模拟了成像型微透镜阵列匀化系统,并研究了微透镜口径及相位台阶数对焦斑均匀性的影响。结果表明:当衍射微透镜的口径D=0.27 mm、相位台阶数L=16 时,可获得不均匀性约为5%、系统能量可利用率达97%的均匀焦斑。     

基于微透镜阵列的光束积分系统的性能分析

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%。     

基于随机微透镜列阵的激光光束匀化方法

利用微透镜列阵实现光束的分割和叠加是一种典型的光束匀化方法。而在微透镜列阵实现激光光束匀化时,由于微透镜列阵的周期性和激光的相干性,匀化光斑会产生周期性点阵分布现象,降低了光束匀化质量。提出一种利用中心离轴型随机微透镜列阵消除点阵效应以实现激光光束的匀化方法。在分析光束经过微透镜列阵的传播特性基础上,设计列阵中各个子透镜单元的几何中心偏离其光轴,利用中心离轴量的随机性打破微透镜列阵的周期性,消除目标面处的点阵现象,实现高均匀性的光斑分布。采用移动掩模技术制备随机微透镜列阵,并开展激光光束匀化实验。结果表明,该方法能够有效提高激光光束的均匀性,有望在激光加工、医疗和照明等方向有较大的应用前景。     

光学胶膜液体可变焦微透镜阵列

微透镜阵列在光束匀化、波前测量、集成成像等领域有广泛应用。设计了一种基于光学胶膜(Optically Clear Adhesive, OCA)的液体可变焦微透镜阵列。采用矩形排列的硅微孔阵列控制单个透镜的孔径和排布,并以OCA光学胶膜和去离子水作为微透镜阵列的塑形材料。通过调整微流体腔内液体注入的体积实现对透镜焦距从1.46~10.44 mm的调整。依据聚焦与成像实验证实了微透镜阵列具有良好的均匀性。最后,将该微透镜阵列应用于激光光束匀化整形,通过一对微透镜阵列实现了光束匀化整形。进一步通过固定一对微透镜阵列的间距实现匀化光斑尺寸在7.2~8.4 mm内可调,为匀化光斑尺寸可调提供了新思路。     

半导体激光器光束匀化系统的光学设计

为了提高半导体激光器光束的均匀性,设计了非球面与微柱透镜阵列相结合的匀光系统。快轴方向利用光线追迹设计非球面匀化透镜;慢轴方向采用微柱透镜阵列对光束进行分割叠加。半导体激光器输出光束通过该匀光系统,在目标面上可以得到能量匀化的方形光斑。利用Zemax光学软件对半导体激光器单管和阵列进行匀化仿真,验证了该匀化系统应用于半导体激光器整形的可行性,得到了目标面动态范围变化对均匀度的影响程度,研究了微柱透镜阵列间距变化及快轴匀化透镜旋转对光斑均匀度的影响。单管和阵列在输出面上的光斑均匀度均大于90%,能量传输效率分别为95.4%和96.2%。该设计结果对半导体激光器光束匀化具有一定的参考价值。     

激光光刻大面积扫描投影成像光学系统测试及评价

基于351nm XeF激光大面积投影成像光刻系统,通过对其光学系统包括光学照明系统和折叠投影系统进行光学性能测试。由激光经过柱面透镜、微透镜阵列均束器以及投影折叠物镜之后产生的能量及光束质量变化,将准分子激光光束均匀性评价指标部分运用到光学系统的评价之中,得到光学系统在不同关键位置的能量分布曲线以及平顶因子关系图,表明微透镜阵列均束器虽保证了整个光学系统各处光斑的均匀性,但衍射却造成了能量利用率的降低。同时,通过对印制电路板(PCB)和玻璃(ITO)进行曝光和显影实验,表明该双远心共焦投影光学系统,只要控制使均匀输出的能量符合曝光剂量,就能够满足分辨率的要求。     

印刷电路板激光投影成像照明系统均匀性分析

针对351 nm波长的XeF准分子激光器,自行设计了用于高精度、高产率、大面积且常规抗蚀剂曝光的印刷电路板(PCB)激光投影成像照明系统.根据准分子激光的部分相干平顶高斯光束(PCFGB)理论模型,对微透镜阵列器(MLA)均束的衍射特性进行了理论分析.由PCFGB分布函数、稳定光强输出的衍射角和菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式,定量分析衍射效应对MLA均束的影响.理论计算表明,微透镜边缘发生菲涅耳衍射和微透镜产生的多光束干涉都能引起光振幅调制,只不过衍射产生的尖峰更明显地出现在光束边缘.同时,由数值积分得到的PCFGB曲线,发现9×9 MLA均束器既能保证多个微透镜产生光束叠加的均匀性,又最大程度地减少了衍射和多光束干涉效应.通过采取加正六边形光阑的方法,不仅能满足大面积无缝扫描光刻的需要,而且能剪裁由衍射引起的光束边缘尖峰.由ZEMAX光学设计软件模拟其效果,显示其加工窗不大于±2%.     

微透镜阵在光纤激光外腔谱组束中的应用研究

提出了基于微透镜阵的光纤激光外腔谱组束方案,设计了能够对光纤阵列出射光束进行预准直的球面折射微透镜阵列.分析了组束系统的组束潜力,结果表明,所设计的组束系统能够实现12个Er3+/Yb3+共掺光纤激光器阵元的外腔谱组束.利用瑞利-索莫菲衍射积分理论,分析了微透镜对光纤出射光束的准直效果,结果表明,微透镜的实际焦距与设计...     

基于微透镜阵外腔的光纤激光谱组束耦合效率分析

为了克服光纤激光外腔谱组束系统中增益带宽和透镜像差对组束阵元数量的限制,在系统中加入了微透镜阵。根据光束变换理论,建立了基于微透镜阵的光纤激光外腔谱组束系统的外腔耦合效率分析模型。通过数值模拟,对各种相关参数对耦合效率的影响进行了仿真分析。结果表明:微透镜阵的加入极大提高了阵元的耦合效率和系统的组束潜力;为了获得尽可能高的耦合效率,需要对离焦量进行合理配置并设计具有较长焦距的微透镜;横向对准误差是影响耦合效率的主要因素,对于宽度为10 mm的组束光纤阵列,为保证60%以上的耦合效率,在θy≤2 mrad的同时需将横向位置偏移量δy限制在10μm以内。     

使用波束分解算法分析海洋表面电磁散射

使用波束分解算法,对海洋表面微波散射进行数值分析.通过把一个大的照射波束分解成许多小波束,单独求解这些小波束的散射问题,然后合成大波束的散射结果.这样可以降低计算机的内存要求,是解决电大目标分析的-种有效方法.理论公式基于单积分方程矩量法,采用RWG矢量三角基函数.对这种算法的精度问题进行了分析,后对海洋表面散射进行模拟.     

非梯度折射率型面阵平面微透镜

采用常规的光刻热熔法及灰度掩模技术,结合离子束蚀刻与溅射制作面阵非梯度折射率型平面折射和平面衍射微透镜,定性分析了不同的工艺条件下所得到的平面端面微光学折种和形貌特征。给出了在石英衬底表面通过光刻热熔工艺和氩离子束蚀刻所得到的两种球面及圆弧轮廓特征的面阵册形掩模的表面探针测试曲线,对平面微透镜阵列与IRCCD成像芯片和半导体激光器阵列的集成结构作了初步分析。     

自由曲面透镜白光LED光束整形技术

为了获得高均匀性、对称性及一些特殊形状强度分布的白光发光二极管(LED)光束以满足某些特定的需求, 基于白光LED光源为朗伯光源的特性, 运用自由曲面透镜的方法对LED光束进行了光束整形, 分别采用单一自由曲面透镜以及全内反射(TIR)透镜与微透镜阵列组合两种不同的整形结构, 进行了加工工艺和原理理论分析, 并通过了实验验证。结果表明, 实验得到的圆形均匀光斑, 其总光线利用率高达96%, 有效面积光线利用率为88.4%;得到的矩形均匀光斑, 总光线利用率为91%, 有效面积光线利用率为78.7%, 光束均匀度均在60%以上; 通过自由曲面透镜方法进行白光LED光束整形效果极佳。该整形方法为白光LED光源的进一步广泛应用提供了重要的指导。     

高填充因子微透镜阵列的快速制备及特性分析

微透镜阵列是一种被广泛应用于光信息处理、光传感、光计算、光通信和高灵敏度成像等领域的精密光学元器件之一。通过一些先进的制造技术已经可以制造出不同几何形状、轮廓和光学特性的微透镜阵列。然而,由于三维微制造工艺的难度,使得高填充因子微透镜阵列中的微透镜很难实现紧密排列。提出了一种快速、低成本的微流体操纵技术,用于制备高填充因子微透镜阵列,且对其制备工艺进行了初步的演示。这种易于操作的制造技术适用于微透镜阵列的大批量生产,极大地提高了生产效率。通过预先制备出的三种不同尺寸(微柱直径分别为300、500、700 μm)的微柱,实现了与其对应不同形状和尺寸的微透镜阵列的制备,并搭建了一套光学成像系统以对这些微透镜阵列进行成像性能的评估。主要对微透镜阵列的焦距、成像精度和每个微透镜阵列中各个微透镜子单元成像的均一性进行测试,利用所提出的微流体操控技术制备的微透镜阵列具有良好的成像性能,有望能够被应用到三维成像、光均匀化等诸多应用中。     

光束的几何排布对多重径向阵列光束传输特性的影响

研究了阵列几何排布对多重径向阵列相干和非相干合成光束桶中功率（PIB）的影响。在较小的桶内阵列相干合成光束的PIB值随P增大而增大;非相干合成光束的PIB值与几何排布无关。