热透镜效应对激光光束准直的影响

利用高斯光束传播定律,分析了热透镜效应对激光光束准直的影响,对两种不同的腔型做了数值模拟与计算,并计算了经具有不同MT因子的调焦望远镜系统准直后的激光光束的发散角与光斑尺寸。通过计算与分析表明,对于同一高斯光束,用MT因子较大的系统可以获得更好的准直效果,准直后光束的发散角更稳定。     

激光加工用半导体激光器的光束变换

考虑不同的激光加工方式对激光功率密度和激光光斑尺寸的要求不同,研究了如何通过调整光路设计实现各种尺寸的聚焦光斑输出,使半导体激光器满足不同激光加工方式的需求.利用ZEMAX光学设计软件模拟半导体激光光路,包括光束整形、准直、聚焦等光束变换方式,实现了多种尺寸的光斑输出.实验中采用16个bar叠加而成的980 nm半导体激光叠阵,阈值电流为6.4A,最大工作电流为84.8A,最大输出功率为1 280 W,总的电-光转换效率为58.9％.准直后快轴的发散角小于4 mrad,慢轴的发散角小于20 mrad.通过实验对该激光叠阵进行光束整形和扩束准直、聚焦,最终实现了功率为1 031 W的激光输出,聚焦镜焦距为300 mm时的聚焦光斑尺寸达1.2 mm×1.5 mm,功率密度达3.8×104 W/cm2,可以用于金属的表面重熔、合金化、熔覆和热导型焊接.     

光学编码器

G 02 B 27/44 CN 1036641A 株式会社三丰(日)1989.1.21 在使用发散光的反射型编码器中,从点光源发出的发散光被聚光透镜会聚成次级点光源,且次级点光源位于分度盘第二光栅的平面上。采用这种方案,可省去准直透镜,编码器尺寸可很紧凑,且光接收器易于定位和支撑。     

半导体激光器光束的准直设计

利用计算机仿真,设计了相互垂直的椭圆截面柱透镜组来准直半导体激光束。两个椭圆截面柱透镜分别对半导体激光器两个方向的光束进行准直,采用自适应加权和法进行优化计算,结果可达到50μrad量级的发散角,同时也可在远场形成圆形光斑。     

一种基于高斯光束的平凹激光腔对准方法

给出了一种基于高斯光束的平凹激光腔对准方法。在高斯准直光束后加一透镜系统,恰当地调整准直高斯光束到某一种汇聚发散的状态。在这种状态下,可使由平凹腔凹面镜和平面镜反射回来的光斑直径大小相仿,解决了不加透镜系统时,两反射回来光斑直径相差很大,难于对准的问题,提高两光斑的对准精度。实验使用束腰为0.6 mm的氦氖光,其后加一优化好的透镜系统,在889 mm的距离下,对凹面镜曲率半径为50 mm的平凹腔进行对准。得到由凹面镜和平面镜反射回来的光斑直径分别为4.8 mm和5.1 mm,平凹腔的角度对准精度达到了3.18'。对准好的腔体在点亮LD后,均能出基模光斑。实验结果与理论分析相符,证明了该对准方法结构简单,执行方便。     

卫星激光测距中发射光路光机结构设计

在卫星激光测距过程中,为了保证望远镜系统接收更多的能量,必须压缩出射激光光束的发散角,减小照射到卫星上的激光光斑尺寸。激光发射系统的主要作用是就将激光器发出光束进行直径放大并准直,是卫星激光测距光机系统中的重要组成部分。在研制某型号卫星激光测距系统中,根据技术指标对两级扩束光学系统、机械结构以及二维电动调整机构进行了详细论述和设计。实践证明,该套系统的光学系统在进行激光光束扩束、准直的同时,通过二维电动调整机构实现了实时调整激光光束的出射方向,满足了设计指标的要求。     

CO2激光加工机光学系统

论述了ＣＯ２激光加工机床光学系统中设计中一些应注意的问题，阐明了一些经常混淆的概念：“几何发散角”与“远场发散角”“光束扩束器”与“准直系统”等。介绍了在应用透镜，离轴抛物面镜，二元光学元件时应注意的问题。     

光纤阵列准直器设计及其发散角测量

传统基于单个固定折射率透镜和渐变式折射率透镜制备光纤阵列准直器的方法,存在阵元数扩展困难、封装工艺复杂且集成化困难等缺点。利用光学微透镜易阵列化且阵元特性一致性好等优点,提出了基于平凸微透镜阵列制备光纤阵列准直器的方法。根据高斯光学和矩阵光学理论,对光纤阵列准直器的准直特性进行了理论分析和仿真,确定了光纤阵列准直器的相关设计参数,据此加工制备了四阵元一维排布光纤阵列准直器,其阵元间距为250 μm。通过远场光斑法对光纤阵列准直器的主要性能参数远场发散角进行了测量,并采用蒙特卡洛法对测量不确定度进行了分析与评定。光纤阵列准直器各通道远场发散角的测量值分别为0.69°,0.67°,0.71°,0.68°,测量扩展不确定度为0.02°,该测量结果在设计容差(0.68±0.03)°之内。该光纤阵列准直器具有良好的准直特性,能够满足光纤通信系统中光纤阵列准直器小型化和集成化的需求。     

激光准直扩束设计和仿真

从哈特曼法自动测量像差所需解决的准直(平行)光束出发,基于高斯先学理论,从工程角度分析了大倍率准直扩束系统的原理,实现了改变激光光束直径和发散角的准直扩束系统的设计,并通过仿真得到了验证,满足了光学系统的哈特曼像差测量要求.     

基于微透镜阵列生成特定矩形光斑的TIR组合透镜设计与仿真

LED功率的不断增大使其逐渐替代传统光源,并广泛用于各种照明光源。在某些室内照明以及道路照明设计中,通常需要借助LED透镜产生矩形光斑从而充分利用光能避免浪费。利用Light Tools软件设计了一种全内反射(total internal reflection,TIR)透镜与特定微型透镜阵列的组合透镜,设置TIR准直透镜透射曲面和全反射曲面为二次曲面,并对其进行准直优化。然后建立单个微型透镜,设置单个矩形微透镜长宽比分别为1∶1、3∶2和4∶3,并将其阵列化。通过改变微型透镜的尺寸以及球面曲率半径进行进一步优化,最后生成与微型透镜长宽比对应的均匀矩形光斑,从而满足不同矩形照明区域的照明需求。     

均匀光强分布的5kW半导体激光硬化光源研制

随着半导体激光自身输出功率和转换效率的提升,半导体激光已经广泛的应用于激光加工领域。本文针对目前激光加工领域对半导体激光硬化光源的需求,研制了波长为976nm的连续输出半导体激光硬化光源。该光源采用空间/偏振合束工艺达到了较高的合束效率,采用柱面微透镜阵列分割与聚焦镜复合较好地匀化了巴条激光器慢轴方向固有的光强起伏,使聚焦光斑的光强呈平顶分布。最后对该光源进行了实验装调和测试。结果表明,在工作电流为93A时,光源的最大输出功率为5 120W,电光转换效率达47%,光斑尺寸为2mm×16mm,光斑分布为平顶分布,平整度大于90%,满足工业中对大面积、高效率激光硬化的要求。     

基于发光二极管配光曲线设计自由曲面透镜

针对头盔显示器(HMD)液晶像源的特殊要求,选择了一款小尺寸、高光效的发光二极管(LED)作为背光光源。基于此LED的光强分布曲线,利用非成像光学理论设计了双自由曲面透镜阵列,以期进一步提高背光光效。首先对单个LED设计了3款不同半径的双自由曲面透镜,形成了亮度均匀的圆形光斑。然后对单个透镜进行切割,形成矩形光斑,并用4个矩形透镜拼接成透镜阵列。选择了效果最优的透镜进行了加工和测试。结果表明:与传统的采用两层扩散膜的背光结构相比,采用透镜阵列和两层扩散膜后的背光的光能利用率提高了13.94%,背光亮度提高了96.4%,非均匀性由23.8%略提高到23.1%,半亮度视角由37°降低到19°。用设计的透镜及其阵列对LED光源发出的光线进行准直,易形成高亮度的均匀矩形光斑,满足头盔显示器液晶像源背光的要求。     

新型光子纳米射流器件的设计

光子纳米射流是一种高强度,极窄的亚波长电磁场区域,它是由介电微球或微柱体的Mie散射对电磁场的聚焦作用产生的。光子纳米射流广泛应用于激光加工、纳米光刻、光学高密度存储以及超分辨率显微镜。从径向偏振光的角度出发,使用一种介电圆环结构对光束进行聚焦,由于径向偏振光在焦点区域可以产生较强的纵向场,通过优化圆环的尺寸、折射率以及与物镜焦点的相对位置,可以得到超过90%光束质量的纵向光子纳米射流,而且强度相比于未使用圆环时可以提高约一个数量级,并在高折射率下可以获得半高全宽小于衍射极限尺寸的光斑,因此该结构预计可以在粒子加速、光镊以及拉曼光谱学中有所应用。     

Compact electrostatic beam optics for multi-element focused ion beams: simulation and experiments

Electrostatic beam optics for a multi-element focused ion beam (MEFIB) system comprising of a microwave multicusp plasma (ion) source is designed with the help of two widely known and commercially available beam simulation codes: AXCEL-INP and SIMION. The input parameters to the simulations are obtained from experiments carried out in the system. A single and a double Einzel lens system (ELS) with and without beam limiting apertures (S) have been investigated. For a 1 mm beam at the plasma electrode aperture, the rms emittance of the focused ion beam is found to reduce from ～0.9 mm mrad for single ELS to ～0.5 mm mrad for a double ELS, when S of 0.5 mm aperture size is employed. The emittance can be further improved to ～0.1 mm mrad by maintaining S at ground potential, leading to reduction in beam spot size (～10 μm). The double ELS design is optimized for different electrode geometrical parameters with tolerances of ±1 mm in electrode thickness, electrode aperture, inter electrode distance, and ±1° in electrode angle, providing a robust design. Experimental results obtained with the double ELS for the focused beam current and spot size, agree reasonably well with the simulations.     

近场聚焦的纳米散射结构研究

为克服以近似理论分析为主的米氏散射方法在研究微粒粒径小于入射光波长情况下带来的局限性,采用了基于数值化模拟的有限时域差分(FDTD)方法对纳米级散射体微粒在近场聚焦光束下发生的聚焦作用进行仿真研究。以聚焦的线偏振光为光源,并将球形纳米空气粒子嵌入固态浸没透镜底面光束聚焦点位置,使用FDTD仿真软件模拟了纳米空气粒子附近的光强分布信息。通过改变相应的仿真条件,选出最合适的纳米散射结构参数,实现了良好的聚焦成像效果。     

LD端面泵浦铯蒸气激光器的模式匹配

以光纤耦合半导体激光器作为泵浦源,5mm长的铯蒸气池作为激光增益介质,开展了端面泵浦铯蒸气激光器的模式匹配实验研究。分析了泵浦光聚焦光斑半径和聚焦位置对铯激光输出性能的影响。以激光器的工作斜效率和光光效率为指标对各模式匹配参数进行了优化,同时对激光器的阈值泵浦功率进行了研究。结果表明:在一定的激光振荡模束腰下,存在最佳的泵浦光聚焦光斑半径使斜效率最大。此外,聚焦位置在蒸气池中央时有利于提高斜效率和光光效率。对阈值泵浦功率的研究显示,阈值泵浦功率随泵浦光聚焦光斑半径的减小而减小,而且当泵浦光聚焦于蒸气池前端时有利于降低阈值泵浦功率。基于以上研究,获得了一组最佳模式匹配参数,即泵浦光聚焦光斑半径为333μm,激光振荡模束腰为167μm,泵浦光聚焦位置位于蒸气池中央。     

半导体激光鼓膜造孔术的光学系统设计

设计并研制了一套可在视频监控和红光指示下实施半导体激光鼓膜造孔术的光学系统.首先,利用光束整形和波长合束技术将半导体激光单管出射的650 nm激光和半导体激光列阵出射的810 nm激光耦合到芯径为200 μm,数值孔径为0.22的光纤中;然后,利用消色差透镜准直光纤出射的双波长激光,再利用另一个消色差透镜将光束聚焦到耳鼓膜上,该聚焦镜可通过机械部件沿光轴方向移动,从而调节鼓膜上光斑的大小;成像部分则直接使用商用视频耳镜;热反射镜用于使激光和成像光同轴.手术时,根据显示器上的红色指示光斑确定造孔位置.测量结果显示:该系统出光孔处的激光功率在0～13.3 W间连续可调,造孔直径在1～3mm内连续可调.使用本系统可缩短手术时间,减少并发症;儿童患者手术时无需全身麻醉.另外,该系统还具有整机体积小、重量轻、电光转换效率高等优点.     

基于单目视觉的激光光束方向标定研究

在由激光位移传感器组成的测量系统中,激光光束的方向是一个关键参数.方位角和俯仰角对于一条激光光束是最为重要的两个参数.本文中提出一种基于单目视觉的激光光束方向测量方法.首先,将CCD相机放置于基础平面上方,保持相机光轴与基础平面接近于垂直状态,并利用误差为10μm的圆孔型标定板建立单目定位模型.然后将激光光束发生装置放置在基础平面上并保持位置固定,同时在基础平面上放置特制靶块,使激光光束可以投射到靶块斜面上并形成一个激光光斑.在基础平面上方放置的CCD相机可以清晰的采集到激光光斑、靶块斜面的图像,应用相关算法提取出光斑质心的二维图像坐标.沿激光光束方向以相等间距移动靶块,通过CCD相机采集每移动一次靶块在当前位置下的光斑、靶块图像.利用相关的转换公式,结合靶块本身固有参数,将光斑质心图像二维坐标转换为基础平面下的空间三维坐标.由于靶块的移动,会得到靶块不同位置下激光光斑质心的三维坐标,将这些三维坐标拟合成空间直线表征待测激光光束.拟合直线得俯仰角即为待测激光光束的俯仰角.实验中,应用高精度仪器对靶块参数进行测定,并使用高精度标定板标定相机内外参数建立相应的定位模型.测量精度主要通过单目视觉定位精度、光斑重心提取精度来保证.结果显示,待测光束的俯角最大误差达到0.02°,光束间夹角的最大误差为0.04°.     

Developments in low-voltage microscopy instrumentation

Low-voltage microscopy can produce high-resolution, high-contrast images of nanometer-scale surface features. Several techniques exist for low-energy electron generation, but most successful in current instrumentation is the combination of a magnetic lens with an electrostatic immersion lens. This compound lens allows the low-voltage column to maintain high potential in the column while independently controlling the landing energy on the sample. Aberration coefficients decrease linearly with the immersion ratio leading to larger optimum semiconvergent angle on the sample and improvement in spot size and beam current. Most recently highly scaled miniature electron beam columns have shown promising low-voltage performance from all electrostatic lenses operating only at low potential. This article explores the current design of low-voltage columns, including variations on compound lenses and miniature lenses, and from a system level, discusses the strength and weaknesses of each design.