LD阵列封装误差对空心导管均匀性的影响

为了提高空心导管激光二极管(LD)抽运耦合系统的性能,采用理论分析和ZEMAX仿真模拟的方法研究了LD阵列封装误差对空心导管抽运耦合系统均匀性的影响.研究发现,当LD阵列中子光束经过空心导管后分割和叠加次数越多时,光束指向误差对空心导管的均匀性影响越小.在此基础上提出了空心导管LD抽运耦合系统的设计中对LD阵列光束准直的原则.结果表明,根据实际情况决定LD阵列中快慢轴方向准直后发散角的大小,以保证快慢轴方向的光束经过空心导管后能够有适当的反射和叠加次数,从而实现较高的耦合效率和抗LD阵列封装误差影响的能力.该研究可用于指导该类空心导管LD抽运耦合系统的设计.     

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%。     

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。     

深紫外CMOS图像传感器测试匀光系统设计

匀光系统的均匀性是实现深紫外CMOS图像传感器参数测试的关键。根据傅里叶光学理论,结合ArF准分子激光输出光斑特点,设计了复眼阵列匀光系统的初始结构,并在ZEMAX非序列模式下建立了匀光系统模型。针对ZEMAX光源中光线采样随机性的特点及匀光系统均匀性的要求,对追迹光线数目及复眼阵列中透镜元个数进行了优化。在透镜元大小为1mm、采用1亿根光线并做30次平均后,在12mm×12mm光斑范围内获得了均匀性为0.986的均匀照明光斑,满足CMOS图像传感器测试对光斑均匀性优于0.97的要求。     

新型激光投影显示方棒照明系统的设计

以非成像理论中光学扩展量的传递规律为依据,给出了激光二极管(LD)阵列作为光源的新型激光投影显示系统中方棒照明光路元器件尺寸及入射光束孔径角的确定方法。选用3×8红光LD阵列作为光源,0.45inch(1inch=25.4mm)硅基液晶(LCOS)芯片为空间光调制器(SLM),应用光学设计软件Zemax给出了方棒照明系统的设计实例,包括LD阵列光源光束整形系统、方棒匀光系统、方棒中继系统的设计。结果显示方棒照明系统具有较高的光能利用率及较好的光斑均匀性。由此得出较高光能传递质量的新型激光投影显示系统中方棒照明系统的设计方法。     

基于微透镜阵列的半导体激光器堆栈匀化系统

半导体激光器由于自身波导结构的不对称性导致光强分布不均匀而限制了其应用,为了对半导体激光光束进行整形以获得均匀光斑,设计了一种基于微透镜阵列的半导体激光器堆栈匀化系统。分析了微透镜阵列对半导体激光的匀化原理和光束匀化过程,通过分析微透镜边缘衍射对匀化光斑影响确定了微透镜孔径范围,采用近轴矩阵光学推导了目标光斑发散角。结合实例对微透镜阵列光束匀化系统进行了仿真和实验验证,实现了均匀性为91.89%的均匀光斑。     

高效大功率激光二极管阵列端面抽运耦合系统

利用光线追迹法为12 kW激光二极管(LD)阵列抽运的Yb∶YAG激光器设计了一套空心导管型耦合系统并开展了耦合实验, 以研究大功率LD阵列端面抽运结构的高效耦合技术及模拟设计方法.基于LD结构和发光特性,以高斯型微激射元为基本单位建立单条LD和LD阵列光源模型,设计了由透镜和镀银板构成的抽运光汇聚传输系统.实验结果表明,该耦合系统实现了对抽运光的高效耦合,且强度分布与模拟结果一致.该耦合系统传输损耗低,反射板的反射率为94%时耦合效率达92.3%;输出光束具有良好的传输性能,有效抽运区域接近理论值,且增益介质表面分布均匀,满足实验要求.     

波前分割DOE阵列半导体激光器光束的品字形整形

半导体激光器(LD)输出光束受工作电流、个体差异的影响,发散角、输出光强受此影响而出现波动。常规衍射光学元件(DOE)的激光光束整形设计只针对特定的输入输出光场,使用宽容度比较小。在LD的整形中利用DOE阵列化的处理,输入光场被分割成许多小单元,不同强度的光重新在成像平面内预定的区域内叠加,实现对光束的整形。用均匀平面波设计阵列DOE每个单元,把高斯分布的球面波整形成品字形光强分布,衍射效率90.53%,均匀性在96%附近;发散角在快、慢轴方向上2°~16°变化,均匀性95.8%以上、衍射效率90%以上;在离焦量±16μm内,光束质量变化不大。阵列DOE提高了LD光束整形系统的稳定性。     

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。     

波前分割DOE阵列半导体激光器光束的品字形整形

半导体激光器（LD）输出光束受工作电流、个体差异的影响,发散角、输出光强出现波动。常规衍射光学元件（DOE）的激光光束整形设计只针对特定的输入输出光场,使用宽容度比较小。文中在LD 的整形中利用DOE 阵列化的处理,输入光场被分割成许多小单元,不同强度的光重新在成像平面内预定的区域内叠加,实现对光束的整形。用均匀平面波设计阵列DOE 每个单元,把高斯分布的球面波整形成品字形光强分布,衍射效率为90.53%,均匀性大约为96%;发散角在快、慢轴方向上2~16的范围内变化,均匀性为95.8%以上、衍射效率为90%以上;在离焦量16 m 内,光束质量变化不大。阵列DOE 提高了LD 光束整形系统的稳定性。     

微柱阵列和两种透镜导管耦合系统的三维光线追迹与设计

微柱阵列和透镜导管组成的耦合系统在激光二极管阵列(LDA)抽运的全固态高能量激光器中起着重要的作用,其光束耦合性能直接影响激光器的最终输出能量和光束质量。为了设计微柱阵列和透镜导管耦合系统的最佳结构参数,需要研究抽运光在耦合系统内部以及在激光晶体端面的分布。利用几何光学理论,对LDA的发射光线经微柱阵列和透镜导管的传输进行三维空间追迹,并计算其能量传输效率和光束整形效果。比较了六面体导管和渐细圆台形导管的耦合性能。仿真分析结果表明,六面体导管需要长度较大,能量传输效率略高,而圆台形导管可以较短,耦合整形后的光斑更接近圆形。     

基于透镜阵列的眼科准分子激光光束整形与匀光系统

为提高屈光手术中准分子激光的能量利用率和光斑均匀性,设计了一套由双排透镜阵列和会聚透镜组成的准分子激光光束整形与匀光系统。借助近轴光学计算发现,通过调节双排透镜阵列的间距可以改变聚焦光斑的尺寸,通过调节透镜阵列与会聚透镜之间的距离可以改变光学系统的整体长度而不影响聚焦光斑的形态。利用光线追迹方法对该系统进行了模拟分析,在会聚透镜像方焦平面上获得了呈均匀分布的方形聚焦光斑,并给出了聚焦光斑尺寸随双排阵列透镜间距的变化过程。分析了接收面离焦对光斑尺寸和能量分布产生的影响,指出所设计的光束整形与匀光系统可以满足准分子激光屈光手术对激光光斑质量的要求。     

用于低温多晶硅制备的线光束整形系统

设计了一套用于准分子激光低温多晶硅制备的线光束整形系统。系统中设置的光斑转换模块可使原始光束截面横纵倒置;利用扩束模块对原始光束的短轴进行准直,其扩束倍率可限定短轴光束尺寸,以配合短轴光束均匀模块的孔径;采用基于透镜阵列的长轴、短轴光束均匀模块可在提高光斑能量分布均匀性的同时,约束光斑尺寸;系统中设置了投影模块,可将光束投影于工件表面。为了实现系统中光学原件的精密定位,设计并加工了配套的机械调节结构;结合仿真实验,讨论了阵列单元的中心偏差及工作面的偏离对线光斑质量的影响。利用该线光束整形系统对自行研制的大能量准分子激光光源进行整形,实测的系统能量传递效率为33%,工件表面的光斑尺寸约为100mm×0.3mm,平均能量密度为470mJ·cm~(-2),长轴能量分布均匀度为93.95%,满足退火技术的要求。     

应用多孔径光束积分原理的LD端面抽运耦合系统

提出了一种应用多孔径光束积分原理的新型LD端面抽运耦合系统.这种耦合系统将LD堆栈的入射光束分成许多细子光束,并通过会聚透镜聚焦在激光介质的抽运面上,得到高均匀性、高功率密度的抽运光斑.给出了具体的设计方法,并根据近轴矩阵光学ABCD定律推导了抽运光斑的发散角分布.针对5吧条的堆栈进行了耦合系统的具体设计,非序列光线追迹的结果表明:在抽运区域内获得均匀性良好的抽运光斑,快轴方向上的不均匀性(峰-谷值)小于3%,慢轴方向上的不均匀性小于6%,快慢轴方向的发散角分别为12°和16°,与传统的波导管方法相比,其结构更加紧凑灵活,同时能将抽运光束发散角控制在较小的范围内.     

大功率LD阵列光束整形技术研究

提出一种新的大功率LD阵列的光束整形方案，首先使预准直的光束在快轴方向分层，然后使其在慢轴方向重新排列，最终在输出端得到高亮度的矩形光斑。详细讨论了方案的工作原理和设计方法，利用几何光学方法计算了输出光斑的尺寸，并用光参数积（BPP）对整形后光束质量作了评估。数值计算结果表明，该整形方法明显改善了大功率LD阵列的光束质量。     

双复眼透镜间相对位置误差对光束匀化的影响

为了在激光退火工作面上获得高均匀度光斑,研究了双复眼透镜阵列光束匀化法中两透镜阵列间相对位置变化对匀化性能的影响.利用光线追迹方法,模拟了双复眼透镜阵列间6个自由度的相对位置误差与光束匀化效果的依赖关系,发现第二复眼透镜阵列的滚转角偏差是影响光束匀化质量的最敏感因素.为实现较好的匀化效果,需要对复眼透镜阵列位置进行精确控制.结果表明,使用专用镜架对透镜位置进行精确控制后,光束均匀度达到0.039.该系统成功应用于激光退火装置,实现了超浅结激光退火.     

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。     

激光二极管侧面抽运激光器热效应的不均匀性

激光二极管(LD)三向侧面抽运晶体时,每根抽运源上激光二极管阵列间的散热窄隙使得抽运光在晶体中轴向分布不均匀,晶体的轴向热均匀性变差.从光强分布的解析表达式出发,通过研究热源分布特性,导出了工作物质热透镜焦距的理论计算方法.数值计算了总抽运功率不变的情况下,抽运源激光二极管阵列的空间占空比、抽运源到晶体中心距离等因素对晶体热透镜焦距的影响.发现热透镜焦距随激光二极管阵列空间占空比和抽运距离的增大而增大.结果表明,抽运光沿轴向分布越均匀,热透镜焦距越长.这为追求晶体轴向热均匀性时侧面抽运源的选择和改进提供了依据.     

基于衍射/反射光束整形系统的高密度泵浦源

利用二元光学元件微型化和对波面进行任意整形的特点,将二元光学衍射器件用于高功率激光二极管阵列光束的快、慢轴准直,并结合空心导管设计一种衍射/反射混合型光束整形系统,用于实现高密度、高均匀性LD泵浦源.应用时域有限差分法(FDTD)的严格矢量分析表明:所设计的二元光学准直器性能优良,准直后光束发散角在误差范围内接近衍射极限,慢轴方向衍射效率为82.21%,快轴方向为75.76%.模拟设计的结果表明:采用这种衍射/反射光束整形技术的高密度泵浦源能获得高功率密度和高均匀性的抽运光束,在空心导管出射端面附近光强起伏RMS<1%,并且在光束的准直性能和系统紧凑性方面优于传统整形方法.     

空心透镜导管的模拟与设计

采用大口径、高功率激光二极管(LD)阵列的大型全固化二极管抽运激光系统(DPSSLs)能够产生高功率、大能量、高重复频率的优良激光。为了实现对介质的高效抽运，将空心透镜导管应用于大口径高功率激光二极管阵列耦合系统。基于三维光线追迹的数值计算方法，编制了LD纵向抽运耦合系统模拟软件，对空心透镜导管进行模拟与设计，使系统耦合效率超过90％的同时，增益介质表面抽运场具有良好的均匀性，实现了对介质的高效均匀抽运；同时通过改变空心透镜导管的参数进行模拟比较，得出了空心透镜导管设计的经验公式，为大型DPSSLs耦合系统的设计提供了有益的参考。