复眼透镜在激光二极管阵列光束整形中的应用
照明系统中的消相干光束整形设计方法
图1 高斯光束整形为均匀光束图2 微透镜阵列匀光原理当前主流的匀光方案是采用微透镜阵列进行匀光，其匀光的基本原理是：将一个完整的激光波前在空间上分成许多微小的部分，每一部分被相应的小透镜聚焦在焦平面上，光斑进行重叠，从而实现在特定区域将光匀化，对激光束精确整形。
如图2其对于非相干光源，可以达到很好的匀光效果，但是对于强相干光源，其干涉效应会非常明图3 强相干光源下的干涉、衍射效应采用传统的微透镜阵列匀光方案，在匀光过程中干涉严重影响光束的均匀性，所以在光学系统中需要消除干涉。
上海市发展和改革委员会（XA4300089-2017-604）先进封装光刻机产业化课题。
徐建旭，上海微电子装备（集团）有限公司，研究方向：光束整形。
1.2 消相干分析针对干涉产生的不同原因，可以采用不同的方法消相干。
常用的方法有三种：1）方法一、光学系统中不引入产生干涉的因素，如非球面匀光整形，如图5[1]。
此种方法适合光束质量较好（ M2约为1）的情况下，匀光质量好，缺点是实际输入必须与设计输入严格匹配才能得到较好的匀光效果。
（2）方法二、采用快速旋转散射片，改变时间分布，实现消干涉。
如图6[2]。
因旋转散射片的速度限制，此方法不适用于脉冲持续时间较短的超短脉冲光源。
3）方法三、采用光程差大于相干长度消干涉。
如图7[2]，图8原理是：能够产生干涉现象的最大光程差称为相干长度，当光程差大于相干长度时，在同一个区域，不同级次的明暗条纹互相叠加，从而分辨不出条纹，也就没有干涉现象了。
2 相干长度测试光束的时间相干性，通常是用相干长度来描述的。
相干长度在实验上，可以通过迈克尔逊干涉仪来测量。
干涉条纹的可见度可定义为式（1），相干长度是干涉条纹的可见度减为0.707时对应的光程差，一般认为条纹可见度下降到0.707时，两光束就不再相干，若条纹可见度维持在0.707以上，即认为两光束完全相干[3]。
两束光的相干区域随着光程差的改变而周期性出现，相干长度也随着光程差的改变呈周期。
基于复眼透镜的大面积均匀照明方案研究
基于复眼透镜的大面积均匀照明方案研究王沛沛;杨西斌;朱剑锋;熊大曦【摘要】A design with two parallel fly-eye lens arrays was proposed ,in order to achieve a uni-form rectangular light spot of large area .TracePro simulation was used to analyze the impact of the parameters ,such as the space between two fly-eye lens and the back working distance of the optical system ,on the size and uniformity of the light spot .T he simulations indicates that the smaller the distance between the two lens and the longer the working distance ,the larger the formed spot size .The best uniformity of light spot is obtained when the space between the two fly-eye lens is close to the focal length of the first lens .In one design ,a spot with size 350 mm × 200 mm was obtained on the target plane ,which was 1m away from the light source . In the central region of the spot ,a range of 280 mm × 160 mm ,w hich covered more than 60%of the total area ,produced a light illumination uniformity higher than 85% .This design is ex-pected to be used in medical phototherapy ,street lighting ,and many other fields .%为了实现大面积矩形均匀光斑，提出一种基于双排复眼透镜的设计方案。
激光扩束镜原理与应用讲解
激光扩束镜原理与应用讲解一、激光扩束镜的原理1.透镜：透镜是激光扩束镜的核心部件，通常采用凹透镜。
透镜的功能是改变光线的传播方向，并使光线的角度发生变化。
当光线通过透镜时，透镜会改变光线的传播方向，使光线发生偏折。
2.凸透镜：凸透镜是激光扩束镜中的关键组件，它能够使光线发生折射，并且将光束聚焦到一个点上。
通过调整凸透镜的位置和角度，可以改变光束的直径。
3.透镜支架：透镜支架是用来支撑透镜和凸透镜的结构，使其固定在一定的位置上。
透镜支架通常由金属材料制成，具有较高的稳定性和耐用性。
二、激光扩束镜的应用1.激光加工：在激光加工过程中，激光扩束镜可用于调节激光束的直径，以满足不同加工要求。
通过调整激光束的直径，可以控制激光的能量密度和聚焦效果，从而实现精确加工。
2.激光测量：激光扩束镜可用于激光测距仪、激光测厚仪等激光测量设备中。
通过调整激光束的直径，可以改变激光测量设备的测量范围和精度。
3.激光打印：激光扩束镜常常用于激光打印机中，通过调整激光束的直径，可以控制打印机的打印速度和打印质量。
激光扩束镜还可用于打印机的校准和调试。
4.激光显示：激光扩束镜可用于激光显示器中，通过调整激光束的直径和角度，可以控制激光显示器的显示效果和分辨率。
5.光通信：激光扩束镜也广泛应用于光通信设备中，通过调整激光束的直径和角度，可以改变光通信设备的传输距离和信号强度。
总结：激光扩束镜是一种能够调整光束直径的光学设备，其原理是通过透镜和凸透镜的运用，改变光线的传播方向和角度，从而实现光束的扩束。
激光扩束镜在激光加工、激光测量、激光打印、激光显示和光通信等领域都有广泛的应用。
通过调整激光束的直径和角度，可以实现不同工艺的需求，并能改变光学设备的性能和特性。
基于液体透镜的复眼透镜阵列的照明特性研究
基于液体透镜的复眼透镜阵列的照明特性研究作者：郭昊成黄宇欣郭方正来源：《电脑知识与技术》2020年第29期摘要：复眼透镜是由多个小透镜集成排列而成，将两个复眼阵列平行排列可使透过其的光线分布更加均匀。
其关键在于提高其光照的均匀性。
本文基于复眼透镜阵列均匀照明的原理，模拟分析了复眼透镜和复眼透镜子眼由焦距可变液体透镜对照明效果的影响。
经仿真得出基于液体透镜的复眼阵列可做到照度可控，可增强其使用灵活性和应用范围关键词：复眼透镜;均匀照明;液体透镜中图分类号：TP311 文献标识码：A文章编号：1009-3044（2020）29-0210-02复眼透镜目前使用非常广泛，在均匀照明领域也有使用，通过复眼阵列可使光线均匀分布。
液体透镜技术目前使用也较为广泛，通过改变液体两端电压可以改变其表面形状，从而改变焦距。
该技术应用范围十分广泛，在许多需要变焦调焦的场景下都可使用，例如手机镜头等。
利用液体透镜的特点可以提高照明亮度。
液体透镜可利用曲率半径可控的特点最大化的仿真生物的复眼功能，这是基于普通焦距固定的透镜的复眼做不到的。
本文采用Solidworks和Lighttools软件来仿真模拟整个照明系统。
利用均匀照明原理设计复眼阵列，在此基础上利用液体透镜取代传统透镜，仿真实现基于液体透镜的复眼阵列，从改变照度和光线离散程度的角度出发，进一步提高复眼透镜阵列照明的性能。
1 仿真设计复眼透镜应用于均匀光照系统需要两个复眼阵列平行排列，如图1，两个复眼阵列中各个小眼透镜焦点平行，光轴也平行。
在第二个复眼阵列后方放置一个调焦透镜，从而形成均匀照明系统。
复眼透镜应用于均匀光照的原理：光线射入第一个复眼阵列后，通过各个小眼使光线聚焦在第二个阵列上，第一个复眼阵列将光线细分为多个小光线。
因为第一个复眼阵列将光束细分，且每个细小光束互相叠加，使光线更加均匀，极大地提高了光能量的利用率。
光束继续经过第二个复眼阵列后聚集在屏幕上，从而使光斑能量可以均匀分布，同时，光源内的光线又互相叠加，所以得到一个均匀分布的光斑。
激光光束整形的创新应用
激光光束整形的创新应用微激光钻孔微激光钻孔是工业中最常见和最常用的激光加工之一。
各种各样的激光光源类型可以处理各种材料（金属、陶瓷、半导体、聚合物和有机材料等），具有前所未有的可重复性、准确性和速度。
微钻孔在许多行业中都很突出，例如汽车、航空航天和电子，甚至激光手术和食品行业。
例如，该工艺能够将高纵横比钻孔降至微米级，最近已为汽车行业开发了新的喷嘴，将发动机燃油效率提高到30％。
超短脉冲激光钻更小的孔、提高钻孔速度、提高孔的精度和质量，以及降低工艺的能耗，导致对提高工业加工的产量和质量的不断需求。
这符合新的特定需求，带来新的激光钻孔技术的正常发展。
最新的主要创新之一，是使用所谓的超短脉冲激光（USP）微加工工具。
超短脉冲激光器通常以高重复频率（有时每秒超过十万个脉冲）提供短而强的光脉冲。
这些激光器的突出特点，是它们可以在极短的时间内，大约一皮秒（10-12秒）到几十飞秒（10-15秒），集中脉冲的发光强度。
每个脉冲都带有一定量的能量，但其短促性使其能够获得相当高的峰值功率（高达几十瓦）。
对于USP激光，脉冲是如此短而且有能量，以致它们几乎瞬间去除被照射的材料。
这些激光器的超短脉冲不会像更常规的激光那样，通过能量被吸收为热量来移除材料，而是在没有热效应的情况下导致物质的电离。
这种效应被称为冷烧蚀，允许最小的内部应力、裂缝、毛刺和其他通常由吸热引起的缺陷。
2USP激光可以每秒快速钻高达数千个孔，7直径小于任何其他工艺（几微米；见图1）。
此外，由于该工艺对加工材料的后处理很少或几乎不需要，因此高速激光器可以以较低的成本提供高生产率，4并且越来越紧凑和经济的商用USP激光的可用性，证明了它们用于越来越多的工业应用。
图1：由飞秒激光脉冲钻出的燃料喷射头孔激光光束整形然而，为了真正最大化该加工的有效性、质量、分辨率和效率，有必要应用适合于给定应用的激光光束整形技术。
激光光束自然具有不均匀的横向能量分布（见图2），这可能导致不必要的能量损失、不准确性和钻孔不规则性。
微透镜阵列(复眼透镜)供应办法
微透镜阵列（复眼透镜）----微阵技术简介微透镜阵列（MLA，复眼透镜）技术的灵感来源于昆虫复眼，如图1所示。
苍蝇复眼由3000多个小眼单元组成，这些小眼具有各自的光学系统，既能协调一致，又能独立工作。
因此，蝇眼不仅具有高速度和高精度的分辨率，而且能够从不同方位感受视像。
图1 苍蝇复眼科学技术的发展使原有的宏观光学元件逐渐不能满足要求，市场上迫切需要微型化、轻量化和集成化的微小光学元件。
来自昆虫复眼结构的微透镜阵列是一种典型的微小光学元件，近几十年来，针对微透镜阵列的研究从未停止，但由于尺度效应的问题，实际制作工艺没有突破而大都停留在理论模型的建立和分析上，无法制作出器件。
与任何其他学科的发展一样，从实验室进入了工业领域都有一个过程。
随着深圳市微阵技术有限公司（简称微阵技术）团队在光学微加工技术的不断努力，终于克服了一个又一个困难，掌握了微透镜阵列的批量化生产的工艺，不仅在透镜精度上能够很好地满足所需，在成本上也让工业客户能够企及。
微阵技术正是在微小光学领域有深刻理解的高科技公司，团队技术人员由中南大学、哈尔滨工业大学和中国科学技术大学等的资深光学和制造工程师组成，博士带队，不仅有深厚的理论基础，而且在实际工艺生产过程中更有丰富的经验和过程控制能力。
主打制件采用微注塑成型工艺，可以制作较大面积的微透镜阵列，对于单个透镜元，无论是半径偏差、球高偏差、间距偏差还是表面粗糙度，都能刷新到一个前所未有的水平。
同时对于难度较高的凹形微透镜阵列，我们也能熟练驾驭。
目前主打产品是聚合物微透镜阵列（复眼透镜），如图 2 所示，采用微注射成型技术，微透镜曲率半径偏差3%，矢高±1μm。
图2 微透镜阵列产品1：基片10*10*0.8mm，含14*14个微透镜，微透镜曲率半径818μm，精度3%；底面半径480μm；精度2%；矢高36μm，精度0.5μm；间距600μm。
图3 6*6微透镜3D扫描图产品2：基片40*40镜曲率半径15μm，矢高以上两款为微透镜阵列品的结构和要求各不一样，单面微透镜阵列外，还可开本公司专注于聚合物微透镜阵列可用于光信息处/扫描仪/传真机、光场照相和成像器件当中。
大功率半导体激光器阵列光束整形新进展----文献
轴）上的发散角很大且不对称， 快轴方向发散角一般
为 ３６°～４０°（ 半 峰 全 宽） ， 慢 轴 方 向 一 般 为 ８°～１２°（ 半 峰
全宽）； 快轴方向光束质量接近衍射极限， 为基横模高
斯分布， 慢轴方向光束质量极差， 为多模厄米－ 高斯分
布。
ＬＤＡ 激 光 束 的 光 束 质 量 一 般 采 用 光 束 质 量 因 子
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综合评述 ｜ 激光技术 ＲＥＶＩＥＷ
点在于第二部分， 其设计前提为准平行光入射， 讨论 重 点 是 ＬＤＡ 光 功 率 密 度 的 改 善 。
光 束 整 形 的 关 键 技 术 主 要 包 括 ： １） 由 于 ＬＤＡ 光 束在快轴方向上的发散角很大， 用于准直快轴发散角 的 微 柱 透 镜 的 数 值 孔 径 必 须 很 大 ， 同 时 微 透 镜 与 ＬＤＡ 的几何尺寸及两者之间的距离都很小， 因此微柱透镜 的 设 计 、加 工 、安 装 和 调 整 都 非 常 关 键 ； ２） ＬＤＡ 光 束 为多模分布， 回旋对称性较差， 整形的同时保证效率 难度很大； ３） 在需要将光束耦合进光纤的应 用中， 为 提高耦合效率， 必须使整形之后光束的光束质量因子 小于光纤的光束质量因子； ４） 在特殊应用场所， 必须 设 计 ＬＤＡ 光 束 整 形 器 使 其 得 到 特 殊 光 场 分 布 。
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第38卷 第2期中 国 激 光V ol.38,N o.22011年2月CHINESE JO URNAL OF LASERSFebruary,2011复眼透镜在激光二极管阵列光束整形中的应用贾文武 汪岳峰 黄 峰 殷智勇 赵 诚(军械工程学院光学与电子工程系,河北石家庄050003)摘要 在回顾复眼透镜对单光束光源的均匀化机制基础上,分析了复眼透镜对激光二极管(L D)阵列光源的光束均匀化机制。
即对子光束分割叠加破坏相似性,对所有分割叠加后的子光斑进行叠加获得均匀性。
在此基础上,以抽运薄片或者板条激光器需要高功率密度的均匀抽运光为需求,设计了基于复眼透镜的L D 阵列光束整形系统,并给出了其中复眼透镜和积分透镜这两个关键部件的结构形式和相关参数。
最后根据所设计的复眼透镜LD 光束整形系统搭建了相应的实验光路并测试了整形后光斑不均匀性,测试表明不均匀性为9.8%,验证了对复眼透镜L D 阵列光束整形的分析。
关键词 光电子学;复眼透镜;光束整形;抽运中图分类号 T N 245 文献标识码 A doi :10.3788/CJL 201138.0202008Application of Fly s Eye Le ns in Be am Shaping Laser Diode ArrayJia Wenwu Wang Yuefeng Huang Feng Ying Zhiyong Zhao Cheng(Depar t m en t of Opt ics a nd Electr on ic En gin eer in g ,Or dn an ce Engin eer in g College ,Shijia zhu an g ,Hebei 050003,Chin a )Abstract Reviewing the mechanism of fly s eye lens homogenizing single beam sourc e,the mechanism of fly s eye lens homogenizing la ser diode a rray is studied.Each single beam is split and superposed to break down the c om parability between them,then the shaped beams are superposed to gain a uniform beam.Then a fly s eye lens based beam shaping system for laser diode array,aiming to improve pumping intensity,is designed.The parameters of fly s eye lens and integrating lens are given out.An experim ent of the designed beam shaping system is done and the non uniformity of result beam is measured,which confirms the analysis of fly s eye lens homogenizing la ser diode a rray.Key wo rds optoelectronic s;fly s eye lens;bea m shaping;pum ping OCIS co des 220.2945;140.5560;140.2020收稿日期:2010 08 07;收到修改稿日期:2010 09 25作者简介:贾文武(1984 ),男,博士研究生,主要从事光学系统设计和光束整形等方面的研究。
E mail:jw w4891@导师简介:汪岳峰(1963 ),男,博士,教授,主要从事固体激光技术方面的研究。
E mail:W Y Fmail@1 引 言复眼透镜由一系列子透镜组合而成,形成空间上的微透镜阵列。
将复眼透镜应用于照明系统中可以获得高的光能利用率和均匀的照明效果,其光束匀化能力在投影显示等领域已经得到广泛的证明[1~5]。
而在高功率固体激光抽运中,抽运均匀性直接与激光介质的温度分布、应力分布相关联,会影响到激光器能否实现高光束质量的激光输出以及激光器的能量转换效率[6~9]。
因此将复眼透镜引入到激光二极管(LD)抽运耦合系统中作为LD 阵列的光束整形器件,对于提高LD 抽运的均匀性具有重要意义。
但是与投影显示中光束整形不同,LD 阵列的光束整形具有它的特殊性:抽运功率密度是激光抽运源的重要技术指标,因此针对LD 抽运做光束整形时通常要求压缩光斑尺寸以提高抽运功率密度;LD 阵列光源中单个发光点的光束是相干光而发光点之间不相干,这种局部相干性是如何影响复眼透镜整形结果的均匀性的,这是以抽运为需求的中 国 激 光基于复眼透镜的LD 阵列光束整形需要重点解决的问题。
本文设计了基于复眼透镜的LD 阵列光束整形系统,给出了相关参数并进行了实验验证。
2 复眼透镜LD 阵列光束均匀化机制2.1 复眼透镜对单光束光源的均匀化机制复眼透镜光束均匀化主要依靠对光束的分割和叠加来实现,在复眼透镜光束整形中通常是针对单光束光源的[10,11]。
如图1(a)所示,基于复眼透镜的LD 整形系统通常由双排微透镜阵列和积分透镜组成。
两组微透镜阵列前后平行放置且间距为子透镜的焦距,子透镜之间相互对准形成子透镜对。
第一组微透镜阵列中的子透镜将入射光束分割为子光束并聚焦到第二组微透镜阵列上,第二组微透镜阵列中的子透镜和积分透镜共同将对应的子光束重合在积分透镜的焦面上。
由于第一排微透镜阵列将光源的整个宽光束分为多个细光束,每个细光束范围内的微小不均匀性将在重合的过程被平滑从而获得均匀照明。
这就是微透镜阵列光束均匀化的分割叠加机制。
当入射光不是平行光时,如图1(b)所示,不同入射角的光线通过第一组微透镜阵列后将被聚焦于第二组微透镜阵列的相应子透镜的不同高度处。
此时第二组微透镜通过第一组子透镜的中心光线偏折为平行光轴出射,保证其他入射角的光线仍然能够在积分透镜的焦面上重合,从而使非准直光束仍然能够在焦面上重合。
但是如果光线的入射角过大,使光线聚焦点超出对应子透镜的孔径范围进入相邻的子透镜孔径,其光束将偏离重合区域而形成旁瓣,降低了光源的能量利用率。
对于具有一定发散角的光源来讲,子透镜的数值孔径需要足够大才能接收到来自光源的所有光线。
图1复眼透镜光束整形系统示意图Fig.1Sketch of fly s eye beam shaping sy st em2.2 复眼透镜对LD 阵列光束的分割对复眼透镜单光束光源均匀化机制的分析表明,复眼透镜光束均匀化的一个重要的前提是将光束进行分割和叠加。
虽然LD 阵列的光束也是由一个个子光束组成的,但是如果以此进行光束分割,直接将各子光束叠加仍然不能得到均匀的强度分布。
因为LD 的每个子光束之间的光分布是相似的(快轴方向为高斯分布,慢轴方向为超高斯分布),叠加后光分布与单光束的光分布仍然是相似的,并不能实现均匀化的目的。
因此在采用复眼透镜的LD 阵列光束均匀化的过程中,需要使用复眼透镜对LD 阵列中的子光束进行分割,破坏这种相似性。
一个解决办法就是让复眼透镜离开LD 阵列足够的距离l 使单个LD 的光束能够覆盖多个复眼透镜的子孔径,从而每个发光点的光束被数个子透镜孔径所分割并在积分透镜后焦面叠加。
图2是复眼透镜对LD 阵列光束分割的示意图。
由于LD 阵列中单个图2复眼透镜光束分割F ig.2Beam splitting met ho d o f fly s ey e lens发光点的光束是相干的,对单个发光点的分割叠加还不能得到均匀化的目的。
但是LD 阵列是由许多非相干的发光点组成的,每个发光点分割叠加后的非均匀光斑在积分透镜的后焦面重合,其内部不均匀性将会通过叠加得到减小甚至消除。
因此,复眼透镜对LD 阵列光束均匀化的机制贾文武等: 复眼透镜在激光二极管阵列光束整形中的应用为:对LD 阵列中每个发光点的子光束分别进行分割叠加,破坏LD 阵列中各个子光束之间光分布的相似性;将LD 阵列中所有子光束分割叠加后的光斑再进行非相干叠加实现均匀化的目的。
3 复眼透镜LD 阵列光束整形系统设计以一5bar 条的LD 阵列进行基于复眼透镜的抽运光束整形系统的设计为例,指出其中关键参数的确定原则。
LD 阵列部分参数为:波长808nm ;发散角40 (快轴),8 (慢轴);bar 条数5;间隔1.8mm 。
要求整形后获得尺寸压缩为4m m 4m m,强度分布均匀的抽运光斑。
由图1及2.1节分析可知复眼透镜整形系统由复眼透镜和积分透镜组成,对其光学系统设计主要是对其各部件的结构形式和相关参数进行设计。
主要包括复眼透镜的构成及其数值孔径参数,积分透镜的选择及其焦距参数。
3.1 复眼透镜及其数值孔径如图3所示,在该方案中复眼透镜由两组正交的一维柱透镜阵列成,其中1,3为一组对x 方向(竖直)进行整形;2,4为一组对y 方向(水平)进行整形,两组之间交叉排列,正交放置。
这样可以通过分别改变两组一维柱透镜的数值孔径来实现矩形抽运光斑。
复眼透镜的口径为14mm 14m m,保证LD 阵列中每个发光点的光束都能够被复眼透镜的多个孔径分割。
图3复眼透镜的构成方式Fig.3Co nfigurat ion of fly s eye lens子透镜的数值孔径是影响能量利用率的重要因素,由图1(b)可知,如果入射光发散角太大,经过第一个子透镜孔径的光线其聚焦位置将超出相应第二个子透镜的孔径范围,从而偏离设计的目标面影响抽运系统的能量利用率。
而过分增大子透镜的数值孔径将会增大系统的像差,影响整形结果的均匀性。
LD 阵列快轴发散角为40 ,而慢轴发散角为8 。
快轴发散角较大但是便于进行光束的准直,而慢轴方向由于发光单元之间的间隔较小难以进一步准直,但是其发散角在合理范围内。
综合以上因素,对LD 快轴方向进行光纤柱透镜准直轻易准直至约1 左右,而慢轴方向保持不变。
因此设定子透镜的数值孔径为0.087,保证 5 的光线均能被复眼透镜接收,提高LD 抽运系统的耦合效率。
最终选定间隔为500 m,顶点曲率半径为1.5mm,厚度为1mm 的一维柱透镜阵列产品(SUSS 公司,型号为16 1367 109 111的产品)进行实验研究。
但是由于这样的子透镜焦距约为3.3mm,若将两组微透镜阵列放置在相互的子透镜焦平面上则前后两部分之间将会存在一个微小的间隙。