基于柱面微透鏡陣列的激光勻化系統(tǒng)設(shè)計及實驗研究

周 葉,祝啟欣,黃中亞,駱崛魁,李 成

(武漢銳科光纖激光技術(shù)股份有限公司,湖北 武漢 430075)

1 引 言

隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展,激光以其獨特的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、軍事、科研等諸多領(lǐng)域[1]。不同的應(yīng)用場合對激光光斑形狀及空間分布有著不同的需求,通常激光光強(qiáng)呈高斯分布,由于光能量分布不均,在與物質(zhì)相互作用過程中光能利用率較低,并且很容易造成局部溫度過高損壞材料或影響加工效果。具有光強(qiáng)均勻分布的平頂激光光束是目前激光應(yīng)用領(lǐng)域的一大研究熱點,在激光切割、焊接、熔覆等激光加工工藝、非線性激光抽運技術(shù)、半導(dǎo)體基片退火、光學(xué)全息、激光照明、激光打印等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用需求[2-4]。利用光束整形技術(shù)可以獲得平頂型光場分布的激光光束,常用空域的光束整形方法主要有非球面透鏡組[5]、衍射光學(xué)元件[6-7]、雙折射透鏡組[8]、多邊形勻化棒[9-10]、微透鏡陣列[11-12]、液晶空間調(diào)制器[13]等方法。其中微透鏡陣列整形系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、傳輸損耗小、損傷閾值高、對入射光強(qiáng)分布要求小等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。目前,國內(nèi)外學(xué)者主要圍繞形成斑點模式的矩形微透鏡陣列進(jìn)行了相應(yīng)的研究[14-16],有關(guān)線光斑的報道較少,本文設(shè)計了一種基于柱面微透鏡陣列的光束勻化系統(tǒng),分別從幾何光學(xué)與波動光學(xué)出發(fā),對成像系統(tǒng)的光束勻化特性進(jìn)行了理論分析,最后通過搭建實驗系統(tǒng)獲得了光斑長度可調(diào)的均勻線光斑,同時研究了不同參數(shù)的柱面微透鏡陣列組合下的光斑勻束特性,實驗結(jié)果與理論相吻合,這種長度靈活可調(diào)的均勻線光斑在半導(dǎo)體基片退火工藝、激光拋光、激光淬火和激光清洗等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值[17]。

2 成像型柱面微透鏡陣列光束勻化系統(tǒng)設(shè)計

2.1 原理簡介

成像型微透鏡陣列光束勻化系統(tǒng)如圖1所示,準(zhǔn)直高斯光束經(jīng)過微透鏡陣列LA1后被分割為多個微小的子光束,各子光束經(jīng)第二列微透鏡陣列LA2與球面傅里葉透鏡FL所組成的物鏡系統(tǒng)后分別成像在球面透鏡的后焦面FP上,并在同一區(qū)域中疊加,實現(xiàn)了光斑能量的均勻化,使光場近似平頂分布。系統(tǒng)中兩片微透鏡陣列的透鏡單元大小相同,均為為PLA,其中微透鏡陣列LA1的焦距為fLA1,微透鏡陣列LA2的焦距為fLA2,兩微透鏡陣列之間的間隔為d。傅里葉透鏡FL的焦距為fFL,微透鏡陣列LA2與傅里葉透鏡FL之間的距離記為d0,焦平面上勻化光斑長度為DFT。

圖1 成像型微透鏡陣列光束勻化系統(tǒng)Fig.1 Schematic of imaging microlens array system

2.2 理論分析

2.2.1 基于矩陣光學(xué)的理論分析

基于矩陣光學(xué)理論,在傍軸近似的條件下,對初始光線在空間中的傳播過程進(jìn)行光線追跡。光線沿z軸方向傳播,入射光的光線矩陣可以表示為r(PLA,θ1),依次經(jīng)過后方的光學(xué)元件及自由空間傳輸后,在聚焦透鏡的后焦面上成像,整個傳播過程可以通過初始光線矩陣依次與傳播過的光線矩陣相乘得到,最終在焦平面上的成像光線矩陣可以表示為:

(1)

當(dāng)入射光為準(zhǔn)直平行光,即θ1=0時,可得焦平面上的光斑長度:

(2)

從式(2)可以看出成像光斑的長度與系統(tǒng)各光學(xué)元件的參數(shù)以及兩列微透鏡陣列間距均相關(guān),改變系統(tǒng)各個參數(shù)可以實現(xiàn)不同的成像光斑長度,在光學(xué)元件確定的條件下,改變微透鏡陣列間距可以靈活地調(diào)節(jié)光斑長度。

2.2.2 基于傅里葉光學(xué)的理論分析

上述理論主要基于幾何光學(xué)的分析方法,簡單地對邊緣光線進(jìn)行了追跡,推導(dǎo)得到成像光斑長度,為了更加準(zhǔn)確地分析像平面上光強(qiáng)分布情況,需采用傅里葉光學(xué)的方法進(jìn)行光場分析。入射光為準(zhǔn)直后的高斯光束,垂直入射到微透鏡陣列LA1上,設(shè)微透鏡陣列LA1和LA2均由(2n+1)個子透鏡組成,子透鏡孔徑為p,焦距為f,傅里葉透鏡焦距為fF,這種情況下,緊靠微透鏡陣列前平面上的光場分布為一常數(shù),設(shè)為1,微透鏡陣列傳輸函數(shù)為:

(3)

(4)

(5)

設(shè)d=f,則二次相位因子和變換函數(shù)中的二次位相因子相消,得到:

(6)

(7)

(8)

以上理論結(jié)果是在兩列微透鏡間距d為第一列微透鏡陣列LA1的焦距f的情況下得到的焦平面上的光強(qiáng)分布情況,式(8)中,rect矩形函數(shù)可以看成子透鏡的衍射作用光場,sinc函數(shù)可以看成是多縫干涉作用光場。因此,成像光斑可以看成是由單個透鏡的衍射與(2n+1)個狹縫的多縫干涉共同作用的光場分布。

2.3 仿真分析

通過設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬,仿真分析了成像光斑的光強(qiáng)分布,如圖2所示,從圖中可以看出,平面入射光束經(jīng)成像型微透鏡陣列系統(tǒng)后,形成了平頂分布的矩形光斑,光斑表面呈現(xiàn)明暗相間的強(qiáng)度分布,這種現(xiàn)象主要是由于光束經(jīng)微透鏡陣列多個子透鏡的分束后,在傅里葉透鏡后焦面產(chǎn)生了多光束干涉的原因,而光斑輪廓主要由矩形函數(shù)決定,由于微透鏡陣列是由多個柱面子透鏡緊密排列的結(jié)構(gòu),各個子單元之間會存在間隙,從而造成透鏡邊緣處發(fā)生衍射,使得光斑輪廓出現(xiàn)了邊緣凸起的現(xiàn)象。

圖2 目標(biāo)平面處光強(qiáng)分布Fig.2 Intensity distribution at the target plane

2.3.1 成像光斑與子透鏡孔徑的關(guān)系

保持微透鏡陣列的子透鏡焦距f一定,改變子透鏡孔徑p的大小,圖3為目標(biāo)平面處光場分布與微透鏡陣列子透鏡孔徑p的關(guān)系,可以看出,成像光斑長度隨著子透鏡孔徑的增大而增大,光斑均勻度也隨之提高。分析原因,這是由于當(dāng)子透鏡孔徑增大時,單透鏡的菲涅爾衍射效應(yīng)減弱,同時子光束的干涉作用也隨之減弱,使得光束均勻度提高。

圖3 不同子透鏡孔徑時光強(qiáng)分布Fig.3 Intensity distribution in different sublens apertures

2.3.2 成像光斑與子透鏡焦距的關(guān)系

保持微透鏡陣列的子透鏡孔徑p一定,改變子透鏡焦距f的大小,圖4為目標(biāo)平面處光場分布與微透鏡陣列子透鏡焦距f的關(guān)系,可以看出成像光斑長度隨著子透鏡焦距的增大而減小,而光斑均勻度沒有變化。這主要是由于焦距改變時,對光場的衍射效應(yīng)及干涉效應(yīng)不會造成影響,因此,光斑均勻性不會發(fā)生改變。

圖4 不同子透鏡焦距時光強(qiáng)分布Fig.4 Intensity distribution in different sublens focuses

3 成像型柱面微透鏡陣列光束勻化系統(tǒng)實驗研究

3.1 實驗裝置

基于柱面微透鏡陣列的半導(dǎo)體激光勻化系統(tǒng)實驗裝置如圖5所示,采用波長為1064 nm的碟形封裝半導(dǎo)體激光器作為激光光源,經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直后的平行光束垂直入射到柱面微透鏡陣列LA1上,LA1將入射光分割成大量細(xì)光束,再經(jīng)柱面微透鏡陣列LA2和傅里葉透鏡FL積分疊加后會聚在焦平面上,焦平面處放置CCD,使其靶面與焦平面重合,用于觀察成像光場分布,其中,傅里葉透鏡FL焦距大小fFL為133 mm。在本實驗中,共有四片柱面微透鏡陣列,具體參數(shù)如表1所示,選取不同參數(shù)的微透鏡陣列組合組成了以下兩個不同的實驗系統(tǒng):

實驗一:柱面微透鏡陣列1作為LA1,柱面微透鏡陣列2作為LA2；

實驗二:柱面微透鏡陣列3作為LA1,柱面微透鏡陣列4作為LA2。

圖5 基于柱面微透鏡陣列的光束勻化系統(tǒng)實驗裝置Fig.5 The experimental device of beam homogenization system based on cylindrical microlens array

表1 柱面微透鏡陣列勻束實驗系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of cylindrical microlens arrays experiment

3.2 實驗結(jié)果

3.2.1光束均勻性與微透鏡陣列參數(shù)的關(guān)系

分別搭建實驗一與實驗二,通過CCD探測焦平面上的成像光斑,當(dāng)兩組實驗中微透鏡陣列間距為第一列微透鏡陣列的焦距時,所測圖像如圖6所示,其中圖6(a)為實驗一成像光斑圖像,圖6(b)為實驗一光強(qiáng)分布圖；圖6(c)為實驗二成像光斑圖像,圖6(d)為實驗二光強(qiáng)分布圖。從圖中可以看出,兩組實驗均實現(xiàn)了高斯光束的平頂勻化,目標(biāo)平面上的光束呈均勻的矩形線光斑,光斑表面光強(qiáng)均呈現(xiàn)出明暗相間的條紋分布,這主要是由于入射光束經(jīng)由微透鏡陣列中多個孔徑大小相同的子透鏡分束后成像,而子透鏡是緊密排列的,這種周期分布的結(jié)構(gòu)很容易造成多光束的干涉,從而在像面產(chǎn)生大量干涉條紋,而光斑邊緣輪廓出現(xiàn)凸起主要是由于單個子透鏡的衍射作用造成的,上述結(jié)果與仿真結(jié)果相一致。

對比兩組實驗結(jié)果,可以看出實驗二光束均勻性明顯優(yōu)于實驗一光束均勻性,這主要是因為實驗一所用微透鏡陣列子透鏡孔徑為250 μm,實驗二所用微透鏡陣列子透鏡孔徑為500 μm,子透鏡孔徑越小,光源所分子束越多,當(dāng)各部光波再次相遇時,子束越多相干疊加越強(qiáng)烈,使得光場干涉條紋更加明顯,造成實驗一光斑均勻度小于實二光斑均勻度。該結(jié)果與仿真結(jié)果一致,證明子透鏡孔徑越大,成像光場分布更加趨于平頂分布,光束勻化效果越好。

圖6 目標(biāo)面成像光斑Fig.6 Imaging spot of target plane

3.2.2 微透鏡陣列間距對光斑長度的影響

調(diào)節(jié)微透鏡整列LA1與LA2之間的距離d,用CCD觀測不同微透鏡間距時傅里葉透鏡焦平面上的光斑長度大小,記錄下相應(yīng)的數(shù)據(jù)。圖7為實驗測量結(jié)果,其中圖7(a)為實驗一實驗結(jié)果,圖7(b)為實驗一理論計算結(jié)果,圖7(c)為實驗二實驗結(jié)果,圖7(d)為實驗二理論計算結(jié)果。

圖7 光斑長度與微透鏡陣列間距的關(guān)系Fig.7 The relationship between spot length and microlens array spacing

在實驗一中,目標(biāo)平面上的光斑長度隨著微透鏡陣列間距的增大呈線性減小,光斑長度在5～34 mm范圍內(nèi)可調(diào),當(dāng)微透鏡陣列間隔最為實驗所能調(diào)節(jié)的最小距離0.5 mm時,光斑長度可以達(dá)到最大34 mm,當(dāng)微透鏡陣列間隔為3 mm時,光斑長度降至最小5 mm,大于該距離后,光斑長度不再發(fā)生改變,實驗結(jié)果理論具有一致性。在實驗二中,焦平面上的光斑長度隨著微透鏡陣列間隔的增大呈線性減小,光斑長度在2～24 mm范圍內(nèi)可調(diào),當(dāng)微透鏡陣列間隔最為實驗所能調(diào)節(jié)的最小距離0.5 mm時,光斑長度可達(dá)到最大24 mm,當(dāng)微透鏡陣列間隔調(diào)至11 mm時,光斑長度降至最小2 mm,大于該距離后,光斑長度不再發(fā)生改變,實驗結(jié)果與理論具有一致性。以上實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)直高斯光束的平頂勻化,得到長度可調(diào)的矩形線光斑,光斑長度與微透鏡陣列間距呈線性正相關(guān)。

4 總 結(jié)

本文設(shè)計了一種基于柱面微透鏡陣列的成像型光束勻化系統(tǒng),基于矩陣光學(xué)理論,對系統(tǒng)進(jìn)行了光線追跡,分析了靶面光斑長度的影響因素,基于傅里葉光學(xué)理論,建立了系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,通過MATLAB數(shù)值求解,仿真分析了成像光場光強(qiáng)分布特性。最終,通過搭建實驗系統(tǒng),實現(xiàn)了高斯光束的平頂勻化,獲得了均勻的線光斑,改變微透鏡陣列間距可以實現(xiàn)線光斑長度的靈活調(diào)節(jié),長度在2～34 mm范圍內(nèi)可調(diào),該結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合。