非對稱折射型微透鏡陣列對高功率二極管激光器的光束整形_

1、 2008非對稱折射型微透鏡陣列對高功率二極管激光器的光束整形1引 言近年來 , 二極管激光器在固體激光器泵浦和直 接材料加工方面取得了很大進展 , 應(yīng)用日趨廣泛。 二極管激光器是由多個二極管激光條組成的 , 其輸 出的光束為橢圓像散光束 , 發(fā)散角大 , 必須經(jīng)過整形 之后才能形成質(zhì)量較好的激光光束。與傳統(tǒng)方法相 比 , 基于微透鏡陣列的光束整形系統(tǒng)具有光束均勻 性好、整形效率高、光損失小以及結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點 , 是當前二極管激光器光束整形的最佳方案。但美中 不足的是 , 對稱的微透鏡陣列只有在垂直于光軸的 平面上才能形成強度均勻的光場 , 只要偏離角度稍 大就會出現(xiàn)像差。對于由很多二極管激光

2、條組成的 高功率二極管激光器而言 , 若要得到均勻的輸出光 束就需要建立復(fù)雜的光束整形系統(tǒng)。德國 LIMO 公司經(jīng)過多年研究 , 在對稱的微透 鏡陣列技術(shù)基礎(chǔ)之上研發(fā)出了非對稱微透鏡的設(shè)計 和生產(chǎn)技術(shù) , 通過對微透鏡面形的精確設(shè)計 , 消除 了像差 , 在光軸的非垂直平面上也可以形成強度均 勻的光場。 LIMO 公司現(xiàn)已將非對稱微透鏡陣列技術(shù)應(yīng)用于高功率二極管線陣和疊陣激光器的制造方 面 , 簡化了光束整形系統(tǒng) , 降低了激光器的制造成 本。2微透鏡陣列的勻光原理高功率二極管激光器、 固體激光器和準分子激 光器等多模激光器輸出的激光光束 , 必須經(jīng)過準直、 勻光和整形等多方面的處理才能得到滿

3、足應(yīng)用需要 的正方形、矩形或線形的均勻光場。 圖 1所示是一 種典型的由 2個柱面微透鏡陣列和 1個場透鏡組成 的勻光系統(tǒng)的原理示意圖。圖 1中給出的是垂直方向上的勻光示意圖 , 水 平方向上的勻光原理與此相同。 2個微透鏡陣列具 有相同的間距 P v , 對稱放置 , 它們之間的距離由第2個透鏡陣列的焦距 f 2v 確定。場透鏡置于第 2個微透鏡陣列之后 , 與第 2個微透鏡陣列的距離等于場 透鏡的焦距 f f 。已經(jīng)過校準的多模激光光束在通過 第 1個微透鏡陣列后分裂成許多小光束 , 這些小光 束隨后被導(dǎo)入相對放置的第 2個透鏡陣列上的各個 微透鏡 , 受第 1個透鏡陣列的焦距控制 , 這

4、些小光 崔錦江德國 LIMO 公司研發(fā)出了非對稱微透鏡陣列的設(shè)計和生產(chǎn)技術(shù)并將其應(yīng)用于高功率二極管 激光器的制造 , 簡化了光束整形系統(tǒng) , 降低了激光器的制造成本。27束不會彼此重疊。第 2個透鏡陣列位于場透鏡的焦 平面上 , 所有通過微透鏡的光束經(jīng)過場透鏡的聚焦 重疊在一起 , 輸入光束的光強波動被平均分配 , 形 成了一個強度均勻的光場。該光束整形原理對多光 源系統(tǒng)同樣適用。在與光軸只有很小傾斜角度的傍 軸 空 間 , 垂 直 方 向 上 的 均 勻 光 場 寬 度 D v 可 由 D v =P v (f f /f 2v 近似得出。水平方向和垂直方向上的柱面微透鏡陣列可以 相互獨立地靈活

5、放置 , 這樣可得到不同邊長比例的 矩形或線形光場。微透鏡陣列是整片集成的 , 通過 設(shè)計可以使整個表面都被有效利用 , 對光場的均勻 化做出貢獻。在微透鏡陣列表面蒸鍍適當?shù)姆婪瓷?膜層 , 可以保證透光率達到 98%以上。標準的對稱微透鏡陣列只能在垂直于光軸的目 標平面上形成均勻光場 ; 而非對稱微透鏡陣列 , 則 可以通過對微透鏡面形的精確設(shè)計在離軸平面上形 成均勻光場。非對稱微透鏡陣列技術(shù)為多光源激光 器的光束整形提供了一種更為有效的方法。3微透鏡陣列的設(shè)計和制造為使微光學(xué)元件具有理想的性能 , 必須把理論設(shè) 計與完善的工藝技術(shù)結(jié)合起來。 LIMO 公司致力于 微透鏡陣列制造技術(shù)的研發(fā)已

6、有 15年之久 , 形成了 自身獨特的、基于計算機輔助設(shè)計的、高效益和成 熟的微透鏡陣列制造技術(shù) , 可以對任意形狀的微透 鏡陣列進行設(shè)計和加工。圖 2為 LIMO 公司生產(chǎn)的一種勻光系統(tǒng) , 由 2個固定到同一支架上的相互交叉的微透鏡陣列組成 , 通光口徑為 130mm 。LIMO 公司的微透鏡制造技術(shù)中不包含任何腐 蝕工藝 , 熔融石英、 BK7、 CaF 2、 Si 、 Ge 和 ZnSe 等 各種材料都可以進行加工。可加工基片的尺寸最大 可達 200mm ×200mm, 表面精度為 10100nm 。可加圖 1微透鏡勻光原理示意圖。勻光系統(tǒng)由 2個柱面透鏡列 陣和置于其后的

7、1個場透鏡組成 , P v , 和 f 2v 分別代表第 2個 微 透 鏡 陣 列 的 透 鏡 間 距 和 焦 距 ; f f 為 場 透 鏡 的 焦 距 ; D V x 代表均勻場的縱向?qū)挾取?8光機電信息 2008工的透鏡的口徑可達到 50m 至幾毫米 , 焦距誤差 不超過 1%。在生產(chǎn)過程中使用表面輪廓測定儀對整 個襯底進行連續(xù)質(zhì)量控制 , 這種測定儀對任意一個透 鏡的表面都可以進行測量。圖 3是對一個微透鏡陣 列基片的測量實例 , 測量的參數(shù)包括 :透鏡半徑、 圓錐常數(shù) cc 以及透鏡的口徑等 , 另外對透鏡之間的 凹陷部位 (concave area 也進行了測量 , 該部位的數(shù)值

8、與微透鏡陣列的占空比直接相關(guān) , 其范圍一般限制 在 2030m 之間。從圖 3給出的檢測結(jié)果可以看 出 , 微透鏡的標準偏差約在 0.1%0.3%之間 , 說明微 透鏡陣列基片的制造具有很高的精確性和一致性。除對稱微透鏡陣列 , LIMO 公司也可以設(shè)計和 制造非對稱透鏡陣列。 圖 4(b 為一種非對稱微透鏡 陣列橫截面的顯微鏡照片。4非對稱微透鏡陣列的實際應(yīng)用非對稱微透鏡陣列現(xiàn)已應(yīng)用于高功率二極管激 光器的光束整形系統(tǒng) ,LIMO 公司以此制成了高功率二極管線陣和疊陣激光器。在視覺應(yīng)用中 , 照相機和光源之間形成共軸系統(tǒng) 的情況很少。由于觀察角度的不同 , 相機拍攝的圖 像與真實的物體之間

9、會產(chǎn)生不同程度的變形 , 但通 常情況下這樣的像差是不允許出現(xiàn)的。 LIMO 公司 提供了一種基于非對稱微透鏡陣列的解決方案 , 在光 源光軸的非垂直平面上 , 也可以形成均勻的 “ 高帽” 形光場 , 這樣就使相機無須調(diào)整拍攝角度就可以得 到無像差的圖像。圖 5是入射角度為 35°時離軸平面的光照示意 圖。從圖 6(a 中可以看到 , 在使用標準的對稱微透鏡 陣列的情況下 , 模擬的光分布圖中 , 沿著傾斜平面圖 6離軸平面上光強分布的模擬結(jié)果。 (a 采用對稱微 透鏡陣列 ; (b 采用非對稱微透鏡陣列。29的光強的分布是不均勻的 ; 作為對比 , 圖 6(b 中顯示 的是采用非

10、對稱微透鏡列陣的光場測量結(jié)果 , 可以 看到光強分布非常均勻 , 能量的衰減通過非對稱微 透鏡陣列得到了有效的補償。LIMO 公司采用非對稱微透鏡陣列作為光束勻 化器制作了功率為 100W 的二極管激光器 , 在工作 距離為 1500mm 的位置得到了 300mm ×340mm 的 均勻光場區(qū)域。測量的光強曲線呈 “ 高帽”形分布 , 均勻性約為 ±5%。高功率二極管線陣激光器在印刷、機器視覺以 及材料加工等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用 , 其功率范圍可以 從數(shù)瓦到 100kW , 線陣的長度短至數(shù)毫米 , 最長可 以達到數(shù)米。對于高功率、長線陣的激光器 , 需要 把各個光源所發(fā)出的光

11、束組合、勻化 , 在目標平面 上形成一個強度均勻的光場。圖 7顯示的是高功率 二極管線陣激光器光束的合束及勻化示意圖。圖中的線陣激光器由 9個子模塊排列在一起組成 , 而每 個子模塊又包含多個二極管激光條。對每個子模塊 都要分別設(shè)計一個基于非對稱微透鏡的勻光系統(tǒng) , 以使在任意角度 , 每個光源在目標平面上產(chǎn)生的光 強都是均勻分布的。從線陣的中心到邊緣 , 微透鏡 陣列的面形逐漸由對稱 (見圖 4(a 變?yōu)楦叨炔粚ΨQ (見圖 4(b 。另外 , 這些微透鏡陣列經(jīng)過了特殊設(shè) 計 , 甚至不需要場透鏡就能夠形成所需要的光場。 圖 8所示為 LIMO 公司基于以上原理研制的一 種用于塑料加工的二極管

12、線陣激光器。該激光器功 率為 2700W , 輸出光束為 600mm ×2mm 的線形光束 , 在 300mm 的工作距離上輸出的功率密度 >225W/cm 2。 圖 9為該激光器在目標平面上的光強分布曲線 , 長 軸方向上每一點的光強是由短軸方向上所有點的光 強積分所得。從光強分布曲線上可以看到長軸方向 上光強均勻性好于 ±5%。使用微透鏡陣列能很好地對高功率二極管激光 疊陣的輸出光束進行勻化。一般來說 , 上文所提到 的所有方法都可應(yīng)用于二極管激光疊陣。圖 9二極管線陣激光器的光強分布曲線30光機電信息 2008圖 10所示為用于 2個 3kW 激光疊陣光束勻化

13、的光束整形模塊的照片。 模塊的出光孔徑為 100mm , 外徑為 220mm , 長度為 400mm , 在 300mm 的工 作距離可產(chǎn)生一個 50mm ×50mm 的 均勻光場。該 模塊可在惡劣的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下工作 , 在結(jié)構(gòu)設(shè)計 時運用專門的熱控軟件對激光器在高功率工作下的 散熱問題進行了特別設(shè)計。該模塊現(xiàn)已應(yīng)用于金屬 材料的激光加工設(shè)備之中。5總結(jié)青島奧帆媒體中心采用“綠色海水空調(diào)”2008奧 運 會 青 島 奧 帆 中 心 四 大 單 體 建 筑 之 一 的 媒 體 中 心 , 就 近 取 材 采 用 了 一 種 綠 色 空 調(diào)器 海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng) , 這也是中國第一個使

14、用此項技術(shù)的公共建筑。采用這個系統(tǒng)夏天可 以用海水降溫 , 冬天則可以用來取暖。媒體中心空調(diào)機房面積不大 , 但管道密布 , 它使用的能源既不是電也不是油 , 而是海平面10m 以下的海水。奧帆中心不同于一般空調(diào)系統(tǒng) , 采用了海水源熱泵技術(shù)。利用海水吸收太陽能和地熱能形成 的低溫低位熱能資源 , 輸入少量的高位電能 , 即可實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移。可以為媒體中 心提供制冷、供暖和生活熱水。海水源熱泵機組以海水為提取和儲存能量的基本 “ 源體” , 借助壓縮機系統(tǒng) , 只需少量電能 , 夏季可以把建筑物內(nèi)的能量取出釋放到海水中 , 以調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度 ; 冬季則把存于海水中的低位能 量取出 , 為建筑物供熱。這種機組雖然以海水為源體 , 但不消耗海水 , 也不對海水造成污染。其 最大的優(yōu)勢在于對資源的高效利用 , 具有極 高的熱效率 :消耗