一种高效均匀复合型菲涅尔透镜设计北大核心

针对可见光通信系统中菲涅尔透镜天线无法兼顾高聚光效率和均匀性的问题,设计了一款复合型菲涅尔透镜。通过采用分区法将透镜分成内环区和外环区,提高了菲涅尔透镜的聚光效率,并结合分布式焦点法对透镜结构进行优化,改善了聚光光斑能量均匀性。仿真结果表明,该复合型菲涅尔透镜实现了高聚光效率下的能量均匀分布,适用于高增益、短焦距和小视场角的可见光通信系统。     

分集阵列式水下激光通信光学接收天线设计

针对水下无线激光通信系统中对准困难的问题,提出了一种分集阵列式光学接收天线,在光学设计软件Zemax中分别设计出了复合光学接收天线和分集阵列式光学接收天线的光学结构,分析了复合光学接收天线和分集阵列式光学接收天线的视场角、聚光效率以及光源移动范围,并且通过实验和Matlab仿真给出两种光学接收天线的聚光效率随光源径向移动范围和光源入射角的关系,结果表明:当光源尺寸10 mm时,复合光学接收天线的聚光效率是0.06%,接收视场角是6,光源径向移动范围是6 mm;分集阵列式光学接收天线的聚光效率是0.06%,接收视场角是16,光源径向移动范围是22 mm。因此分集阵列式光学接收天线更适用于水下激光通信系统。     

激光无线能量传输接收系统二次聚光研究

为了克服激光无线能量传输接收系统中聚焦光斑能量分布不均匀、光斑形状不匹配的缺陷,设计并加工了一种梯形二次聚光器。依据边缘光线理论分析了梯形二次激光器的设计原理,利用Tracepro软件进行了仿真,采用直角梯形拼接的方法加工成梯形二次聚光器。在激光无线传能系统中对梯形二次聚光器进行了实验研究,对比了菲涅耳透镜单次聚光和与梯形二次聚光器组合聚光时对激光电池效率的影响。实验得出,在激光电池接收功率一致的情况下,菲涅耳透镜与梯形二次聚光器组合产生的聚焦光斑能使激光电池的转换效率值提高6%~7%;在计入二次聚光器损耗后,激光电池的转换效率值提高2%~3%。结果表明:梯形二次聚光器的使用可以提升激光无线传能系统接收端的性能。     

聚光光伏系统菲涅耳聚光器性能分析与仿真

对太阳能聚光光伏发电技术中的聚光系统进行了研究,分析了菲涅耳透镜应用于太阳能聚光器的优点、聚光特性以及光学效率,推导并获得了平面向外、菲涅耳面向太阳电池的点聚焦菲涅耳透镜的设计公式。在ZEMAX软件的非序列模式中实现了基于非成像光学理论的光线追迹仿真,对某一尺寸的菲涅耳透镜的焦平面上光斑能量分布情况进行了分析与模拟。研究结果表明,利用通常的菲涅尔透镜实现聚光作用的聚焦光斑的光能量主要集中在太阳电池的中心部位,呈现为从中心往外围能量越来越弱的同心圆环。要使太阳电池接收到的光能量尽可能均匀,则需要增加二次聚光元件。     

装调误差对太阳能激光器聚光系统效果的影响

为了研究太阳能激光器中由菲涅尔透镜和复合抛物面聚光器组成的二级聚光系统装调误差对聚光效果的影响,利用Tracepro光学软件仿真了CPC绕不同点旋转、太阳光与中心轴线夹角的变化、菲涅尔透镜旋转、CPC沿垂直中心轴线方向平移、工作物质端面位置变化对系统聚光效率和光斑均匀性的影响。结果表明:若以系统聚光效率下降到90%作为标准分别给予讨论,CPC绕入口中心旋转时,CPC轴线与系统轴线的夹角宜小于8. 39度;太阳光偏离聚光系统中心轴线的夹角宜小于0. 12度;菲涅尔透镜旋转角度宜小于0. 72度;CPC垂直轴线平移距离要小于2. 66 mm;工作物质端面距CPC出口距离不宜超过0. 53 mm。研究结果对该聚光系统的装调具有指导意义。     

基于平板型导光板的太阳能聚光系统

针对传统线性聚光系统聚光光斑辐照度不均匀的问题,提出了一种由曲面线聚焦菲涅耳聚光器阵列及平板型导光板所组成的、系统高度小于40mm的小体积聚光系统方案,建立了曲面线聚焦菲涅耳透镜的一般方程,给出导光板V形槽设计公式,并采用正交试验法和光学仿真实验对聚光器系统的各项结构参数进行优化设计,同时分析了曲面线聚焦菲涅耳的加工误差及导光板安装偏角误差的影响。结果表明:优化后系统在采光面积500mm×200mm、聚光比50倍时,聚光效率可达75%,聚焦光斑均匀性优于88%,且入射太阳光偏角在±7°内聚光效率大于50%。通过拼接可获得不同聚光倍数系统,由仿真实验得出在160倍聚光比内,效率高于50%,均匀性优于85%。     

高倍聚光光伏可拆卸型二次反射镜设计与研究

高倍聚光光伏技术是将垂直入射于菲涅耳透镜上的太阳光聚焦到电池片上,通过光电转换产生电能,但实际应用时,由于跟踪器跟踪精度低、支架受风会抖动等因素存在,无法保证太阳光始终垂直入射于菲涅耳透镜。针对该问题,在菲涅耳透镜和太阳能电池之间增加一个可拆卸的倒置的去掉顶部的棱锥形二次反射镜来提高聚光光伏的接收角,给出了具体的设计实例,并应用Solidworks软件和Tracepro软件对设计实例进行了计算机光学模拟。结果证实该二次反射镜能很好地提高聚光光伏的接收角,并改善菲涅耳透镜聚焦光斑的能量均匀性。     

均匀会聚菲涅尔透镜设计及性能研究

提出了一种均匀会聚菲涅尔透镜设计方案,透镜基于离轴聚焦设计,采用方形非旋转对称结构,利用光强叠加实现均匀会聚.文章基于该方法建立了几何聚光比分别为56、100、400和900倍,焦距分别为300 mm、400 mm、500和600 mm的透镜模型,并利用光学仿真软件对其聚光性能进行分析.研究结果表明:基于该方法设计的透镜能够较好地实现均匀会聚,且聚光效率和聚光分布均匀度均超过80％,可以满足聚光光伏需要.     

一种环面焦斑菲涅耳聚光器的设计与分析

在聚光光伏系统中,聚光光斑辐照度的不均匀性会降低光伏系统的光电转换效率,且会在光伏电池表面形成热斑效应,灼伤光伏电池。基于多焦点方法,设计了一种环形焦斑菲涅耳太阳能聚光镜,每环小透镜在焦平面上具有一个环面焦斑,且环面焦斑在接受面上均匀依次排列,实现均匀聚光。以口径400mm,具有200环,焦斑半径20mm,F数为0.8的圆状环面焦斑菲涅耳聚光器为实例,用TracePro模拟平行太阳光垂直照射下时的照度图,得到其理想光学效率为86.77%,光能均匀度为0.8,表明环状焦斑菲涅耳聚光器具有较高的光能利用率和照明均匀性。分析了焦斑均匀性与聚光器F数的关系,当F数一定时,焦斑均匀性随着聚光器口径的增大而逐渐降低。     

用电子束刻划椭圆微型菲涅耳透镜

松下电器中央研究所开发成功用电子束刻划椭圆微型菲涅耳透镜的制作技术，按其象散特性，尝试了将以往由组合透镜构成的象散光学系统薄形化的试验。如获成功，即制成具有菲涅尔透镜的薄膜结构，不仅使透镜系统小型轻量化、可与光探测器和分束器等光学元件集成，并且易于大量复制生产。特别是可将半导体激光的椭圆形输出光斑聚光成规则的圆形。     

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。     

入射光波波长对菲涅耳透镜衍射效率的影响

使用离子束刻蚀法成功制作高衍射效率 16阶菲涅耳透镜。菲涅耳透镜的衍射效率是评价菲涅耳透镜质量的一个重要指标。对于宽带光学系统 ,除设计、制作误差外 ,入射光波波长对菲涅耳透镜的衍射效率也有影响。针对宽带折衍混合光学系统 ,分析不同入射光波波长对菲涅耳透镜衍射效率的影响。使用四种不同光源 ,对菲涅耳透镜的衍射效率进行测试。指出在短波方向 ,衍射效率下降较多 ;在长波方向 ,衍射效率下降较少     

Focusing characteristics of a wide-striped laser diode integratedwith a microlens

We developed a wide-striped laser diode integrated with a microlens that provides good focusing characteristics through a small focusing spot. We calculated and demonstrated that a 60-μm-wide core and a 1.9-μm-high ridge is the best structure for fundamental index-guiding mode oscillation of a wide-striped laser diode. We integrated a wide-striped laser diode with the developed microlens in the Fresnel diffraction held, and demonstrated that a device with a 60-μm-wide core has a minimum focusing spot width of 2.0 μm in the horizontal direction. Also, we estimated the wavefront in the Fresnel diffraction field from the working distance error of a lens designed for a collimated incident beam, and showed that the working distance error, focusing spot width, and sidelobe can be improved by this estimated wavefront     

激光无线能量传输接收端光束匀化装置设计

激光无线能量传输中,激光光强分布不均匀和激光光斑与光电池形状不匹配会导致系统光电转换效率降低,局部温度过高,极端条件下甚至对光电池造成损伤。基于分布式匀化思想设计了一种激光接收装置,首先用光学整形扩散片在光电池各子区域进行光束初次匀化,然后用光学漏斗进行二次匀化和整形。针对1 cm×1 cm光电池,分析了光学整形扩散片的扩散角度和光学漏斗的高度对光束匀化效果的影响,优化后的激光接收装置的耦合效率η_c>95%,光强不均匀度Δ<0.05。此外,该激光接收装置对激光入射角不敏感,入射角为20°时,η_c>80%。搭建了3×3光电池芯片阵列的激光无线输能系统,采用分布式匀化激光接收装置,光强不均匀度由0.34降到0.12,光电池转换效率提升了65%。与正入射时相比,入射角为18°时,系统转换效率变化小于20%。结果表明,该分布式匀化激光接收装置有效提高了接收端的光强均匀性和系统光电转换效率,且对激光入射角不敏感,在激光无线能量传输中有重要作用。     

大气激光通信机的光学模型和物理实现研究

将光学理论应用到大气激光通信机设计中,提炼出大气激光通信机的发射和探测过程的光学理论模型,提炼推证了半导体激光器远场发射、准直发射和接收透镜探测损耗的公式,提炼推证了准直激光焦面探测爱里斑公式及对应的质心运算和质心评价公式。设计了和上述推证相关的光学天线和分光镜等。设计了光学天线分辨率、CCD捕获分辨率、通信分辨率、伺服系统分辨率等和系统精度相关的参数。     

用于LED均匀照明的自由曲面菲涅耳TIR透镜光学设计

为了提高透镜的散热能力,设计了一种新型全内反射（TIR）透镜,该透镜的出射面中央为自由曲面菲涅耳面。采用斯涅尔定律和全反射定律分别求解TIR透镜折射部分和反射部分自由曲面的面形。同时,采用一种菲涅耳透镜的普适设计方法将折射部分自由曲面转变成菲涅耳面。通过蒙特卡洛光线追迹模拟自由曲面菲涅耳TIR透镜的照明效果,结果显示:当光源尺寸为2 mm×2 mm时,其远场照度均匀性为82%,光效为96.6%,透镜质量为21.94 g。与未加菲涅耳面的TIR透镜相比,带自由曲面菲涅耳面的TIR透镜在光效仅下降2%,在照度均匀性未变的情况下,透镜质量减少了约20%。这说明对TIR透镜的自由曲面出射面进行菲涅耳化可明显地缩小透镜的体积和质量,缩短光线在透镜内部的光程,因此可有效提高透镜的散热效率和使用寿命,同时保持良好的照明效果。     

用于无线能量传输的高效率半导体激光器设计

激光无线能量传输在无人机、卫星空间站和探月机器人供电等方面具有潜在应用前景,其系统效率成为了其应用的关键瓶颈。为了提高激光无线能量传输系统发射端激光器的电光转换效率、接收端光斑均匀性和有效窗口收光比,提出了用于激光无线能量传输发射端的高效率半导体激光器设计方案。基于合束效率较高的空间合束设计了一套高功率高效率半导体激光系统,接收端光斑不均匀度可优化至0.207,有效窗口内收光比大于94%。搭建了千瓦级激光无线能量传输实验装置,发射端半导体激光系统直接输出矩形光斑,与矩形光电池匹配,提高了电池阵布片率。利用多光束指向性可调节特点,优化了接收端光斑均匀度,有利于提高接收端电池的转换效率及简化电源管理。该设计与研究为激光无线能量传输的实际应用提供了借鉴意义。