适用于LED阵列光源的新型双层TIR透镜设计

针对贴片LED阵列光源,文中提出了一种新型双层全内反射透镜结构,并利用LightTools -SolidWorks桥对其进行设计与优化,光斑的芯片成像与黄斑问题得到了解决。透镜最大外径为40 mm,透镜总高为12 mm,实现了照明系统的紧凑小型化,实际的软件模拟和测量结果表明,透镜匹配3×3阵列的贴片3030LED光源后,光学效率高达85%以上,光斑均匀,无明显黄斑现象。此款透镜被用于实际射灯灯具中。     

用粒子群算法设计非球面准直透镜的方法

提出了一种用于LED准直照明的非球面透镜设计方法,该方法产生于对非球面几何光学特性分析和粒子群优化算法优越的寻优能力。用该方法设计了一个基于点光源准直的出光口径30 mm的非球面透镜,为了证明准直透镜的准直效果,用光线追迹方法模拟了准直透镜对于点光源的准直过程。模拟结果显示,点光源经准直透镜后出射光线的最大半视场角为0.004 60,0.8 mm0.8 mm LED光源经准直透镜后出射光线的最大半视场角为4.91,表明了粒子群算法用于非球面准直透镜设计的可行性和有效性。与现有的设计方法相比,该设计方法意义更直观,实施更简单。     

激光定距引信远场光斑的压缩整形

针对激光定距引信的小型化激光发射系统远场光斑过大、探测距离偏近的问题展开研究。利用几何光学原理对激光定距引信的发射光学系统进行设计,采用非球面透镜与变形棱镜组合实现引信远场光斑的压缩整形,并通过ZEMAX 光学软件仿真优化和光斑试验。仿真试验结果表明,发射光束经过光学系统后,500m处的激光光斑直径被压缩到10 mm 且呈圆对称形状,准直效果显著优于柱透镜光学系统,使原有小型化、低功耗的激光定距引信探测距离明显增大。     

基于像散曲面微透镜的半导体激光准直研究

为了实现半导体激光器的光束准直,分析了半导体激光器光束沿快、慢轴方向的准直原理。采用单个半导体激光器作为被准直单元,提出了基于像散曲面微透镜的半导体激光器光束准直方法。讨论了半导体激光器填充因子对像散曲面微透镜准直性能的影响。对填充因子0.5的半导体激光器进行模拟验证。准直后,快轴方向剩余发散角约为0.34,慢轴方向剩余发散角约为2.69。结果表明,像散曲面微透镜不但可以对高填充因子的半导体激光器光束进行准直,而且准直后出射光斑面积小。该研究为高功率半导体激光器堆栈光束的准直提供了可行性方案。     

一种应用于激光微烧蚀的光学聚焦系统简化设计方法

针对激光微推力器对光学聚焦系统结构紧凑、聚焦光斑尺寸小以及避免羽流污染的特殊要求,采用传统的光线追迹法研究单透镜直接聚焦、双透镜准直聚焦两种典型方案光学设计方法。针对低功耗半导体激光器光纤耦合输出的芯径和数值孔径条件,在50m级聚焦光斑约束下,研究单透镜聚焦系统设计方案,得到了透镜厚度、焦距、工作距等设计参数的关系;研究准直聚焦光学系统的双透镜系统设计方案,得到了透镜厚度、透镜中心距、工作距等设计参数特征关系。针对两种典型光学设计方案,给出了工程应用设计参数。文中提出的设计方法避免了复杂的光学设计过程,可为激光微推力器激光光束微尺度聚焦提供一种简单实效的方法。     

基于离焦深度法的自动对焦光路设计

基于离焦深度法设计了自动对焦光路,光路由激光 光源,准直扩束透镜,调焦透镜,摄 像头组成。使用ZEMAX软件模拟了对焦过程,通过控制调焦透镜的位置获取光斑半径,计算 对焦位置。 移动调焦透镜,分别在距离对焦目标5.62 cm,7.38 cm,14.02 cm,16.88 cm,20.94 cm处得到了弥散光斑 的直径。计算得到的误差在1mm以内。基于此,实际搭建了对焦光路并进行模拟。采用位移 滑轨模拟透 镜的变焦运动,由摄像头获取物面上的激光斑点,通过MATLAB编程来快速获得光斑直径的之 间的比例。 结果显示,对焦结果误差在1cm以内,考虑到导轨读数存在误差,摄像头像素有限,激光功 率不稳定等原 因,虽然实际结果与理论模拟之间存在差异,但证实了此方法的可行性。后续工作将用位移 平台替换手动 滑轨,编程精密控制透镜的移动位置,实现自动对焦。研究工作为改进本课题组已经开发的 便携式高灵敏 毒品荧光检测系统提供技术参考。     

宽发射面激光二极管光束整形系统的光学设计

宽发射面激光二极管作为泵浦源在全固态激光器中得到了广泛的应用,但由于快慢轴发散角太大和发光面的不对称,所以需要对其进行光束整形。针对发光面为1m（快轴）200m（慢轴）且远场光斑为矩形光斑的宽发射面激光二极管,分析了输出光束在平行于p-n结方向上光场（侧模）的多光丝分布特性。通过在ZEMAX非序列里,设置合理的光丝间隔、尺寸和以纵模为间隔的多个波长,模拟了与实际相符的远场光斑。利用圆柱透镜压缩激光二极管快轴发散角,再用自聚焦透镜进行聚焦,最后在离自聚焦透镜后端面1.8 mm处得到快慢轴方向长分别为0.15 mm0.17 mm的方形光斑,且快慢轴方向发散角分别为3.32.4。同时,通过实验逐步比较了光束通过每一个光学元件后光斑形状的变化和光强分布,结果表明:宽发射面激光二极管光束整形中,通过引入侧模光丝结构的矩形光斑模拟方法是可行的。     

4×10Gbit/s并行光模块串扰优化设计

为了对4×10Gbit/s并行光模块光串扰进行优化,采用了ABCD传输矩阵法,结合光纤耦合约束条件以及准直透镜、自聚焦透镜和光纤端面球透镜的理论,设计出两套优化方案。研究了垂直腔面发射激光器光束特性,利用MATLAB进行理论分析,模拟得出光斑半径与发散角的关系,并分析了串扰情况。在ZEMAX非序列模式下完成了光路建模,优化结构中透镜参量以及光纤端面设计,进行了理论分析和实验验证,取得了优化后耦合光斑半径与耦合效率。结果表明,间接耦合优化结构中,到达光纤端面的光斑为53.72μm,耦合效率达到72.59%;而直接耦合优化结构中,到达光纤端面的光斑为3.695μm,耦合效率高达到76.11%,有效地解决了并行光模块之间的光串扰问题。这一结果对光网络信号传输质量优化方面是有帮助的。     

LED自由曲面准直透镜的优化设计方法

提出了一种自由曲面准直透镜的优化设计方法。通过对二次B样条理论、Scheme语言和优化引擎的结合使用,实现了准直透镜的优化设计。采用1 mm×1 mm朗伯体发光的LED作为光源,透镜材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),通过对两款不同结构准直透镜的优化设计,可以实现发散角为±5°的准直照明,能量利用率均可达90%以上。与现有的优化方法相比较,此方法具有对初始模型依赖较低、设计方法简单和普适性高等特点。     

基于亚波长金属结构的大数值孔径透镜

为了实现轻量化的大数值孔径红外透镜,基于模式耦合理论,建立了金属薄膜上方形孔对入射光场相位调制与方孔边长尺寸、深度的关系,在此基础上,提出了一种可实现大数值孔径的亚波长金属结构薄膜透镜.采用数值模拟方法对此透镜的聚焦特性进行了模拟仿真,结果表明:对于10.6μm的入射波长,口径尺寸为300μm的透镜可实现半高全宽仅为4μm的聚焦光斑,其等效的数值孔径高达3.3,充分证明了这类透镜在实现大数值孔径方面的优势,为设计轻量化的高分辨红外光学元件提供了新的方法.     

基于偏振复用技术的激光二极管光纤耦合方法

光纤耦合输出的高功率激光二极管(LD)模块作为光纤激光器的抽运源已经得到了广泛应用。为了进一步提高光纤耦合激光二极管输出功率,提出了利用激光二极管输出光束的线偏振特性,采用偏振复用技术,将两只高功率激光二极管输出光束经准直、复合、聚焦的光纤耦合方法。利用光线追迹法,分析了圆柱透镜对激光二极管发散光束的准直特性,并讨论了柱透镜的安装距离对准直性能的影响。根据激光二极管和光纤的相关参数设计了聚焦透镜组。采用这种方法将两只输出波长为980 nm的高功率激光二极管输出光束耦合进数值孔径0.22,芯径100μm的多模光纤中,当工作电流为4.5 A时,光纤激光连续输出功率为6.36 W,耦合效率大于78%。     

大功率半导体激光器阵列光束光纤耦合研究

从半导体激光器的光参数积出发，给出了一种集光束准直、整形、聚焦及耦合的高功率半导体激光器阵列光束的光纤耦合方法。推导出了正交的两组准直微透镜阵列的面形公式；计算了准直光束的准直精度和聚焦光学系统参数。作为例子，给出一个光纤芯径为800μm，数值孔径0．37的光纤耦合高功率半导体激光器实验结果．其耦合效率大于53％。     

利用整体毛细管X光半会聚透镜会聚同步辐射

为了进一步开展基于整体毛细管X光半会聚透镜和同步辐射的微区X射线分析,利用整体毛细管X光半会聚透镜和超环面镜的组合会聚了同步辐射。在8 keV能量点,利用超环面镜,将面积为2.3 mm×26 mm,竖直发散度和水平发散度分别近似为0和1.1 mrad的同步辐射光束会聚为面积为0.9 mm×0.3 mm,水平和竖直发散度分别为1.4 mrad和0.1 mrad的束斑,然后利用整体毛细管X光半会聚透镜将束斑会聚成直径为21.4μm的微焦斑,该整体毛细管X光半会聚透镜对束斑的传输效率为7.9%,该透镜焦距和焦斑处单位面积上的强度(功率密度)增益分别为13.3 mm和59。     

适用于单片LCK投影机之均匀且准直的高亮度LED 灯的最佳化设计

研究以配合新型单片式液晶显示面板结构,设计-个发光二极体灯罩模组,套用于发光二极体晶片上,使其出光达到准直及均匀的光束,便将出光直接投射到液晶显示面板上,我们先以点光源计算求出灯罩模组相关参数,再配合 ZEMAXTM及ASAPTM光学软体进行优化模拟,在此我们以 1 mm×1 mm之 Lambertian 分布光源做模拟,在有效面积里面的均匀度为 85.4%,半强角为 4.8°.     

激光束经类锥形梯度折射率纤维的传播理论及其应用

本文研究了高斯激光束在类锥形梯度折射率纤维中的传播理论,着重分析高斯光束光斑尺寸的变化规律,并讨论了这种梯度折射率透镜在微光准直系统中的应用。     

圆柱透镜对半导体激光光束准直性能的改进

根据光线传输的基本原理，通过计算和推导，用解析式表达并讨论了半导体激光器快轴方向发散光束通过圆柱透镜后的准直特性、光强分布和光能转换效率与圆柱透镜的半径、介质折射率、介质损耗、安装距离等可调参数以及界面反射的关系。说明了安装位置直接影响到准直效果；透镜半径、折射率和介质损耗不仅影响到准直后光斑的大小、光强分布和光能转换效率，而且影响到偏振状态的重新分布，因此，要获得最佳准直效果必须略微离焦安装；还需根据具体使用要求综合考虑各参数对光斑大小、光强分布和光能转换效率的影响，以采用适当的参数，并考虑是否进行增透处理。为正确认识和使用微圆柱透镜改善半导体激光快轴方向光束的发散，提高光束质量提供了理论依据。     

环烯烃共聚物太赫兹透镜的设计尧制备及特性分析

研究了一种新型光学聚合物,环烯烃共聚物在0.1～3 THz波段的折射率和透过率特性。借助Solid works软件设计了一款焦距为100 mm、有效孔径为1.75英寸的双凸球面透镜,并设计了制造透镜的模具。通过热压塑成型工艺制造了Topas COC太赫兹透镜,分析了温度和加热时间对透镜面型的影响。利用Zemax软件模拟分析了透镜在太赫兹波段150 m、300 m和600 m的波长、厚度、曲率半径和折射率对焦距的影响。研究表明:利用该技术制造的Topas COC透镜面型光滑、精度高、结构无缺陷、性能优良满足系统线性和紧凑的设计要求,在可见光区和太赫兹波段能够发挥准直和聚焦的作用。