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微透镜阵列的匀光原理

作者:维尔克斯  时间:2020-12-30 12:00:08

随着柯勒照明原理的应用日益广泛,人们对光源的要求也日益大胆且严苛。在激光应用领域,光源能量的高斯分布,也即非均匀能量分布的一种,该非均匀分布的能量,给人们的日常加工,激光应用带来了诸多不便。以此催生高斯光源匀化的研究需求。

在激光照明、切割和焊接加工等应用领域之中,往往对出射激光的能量均匀性具有一定的要求。而传统的激光能量强度是高斯分布的。所以,在绝大部分激光应用领域中,光源匀化都是避不开的。目前激光匀化大体分为两种:一种是衍射性,还有一种是折射性。从工作原理的角度讲,衍射性的匀化效果也许优于折射性。但是,由于受到其波长限制的影响,衍射性设备要求比较高,通用性比较差,而且衍射原件表面轮廓容易引起杂散光。相比之下,折射性元件,具有通用性更强,能量损耗较少,工作波段较长的有点。微透镜属于折射型光学元件,本文主要介绍常见以微透镜阵列为核心的激光匀化光路。

常见的微透镜阵列匀光光路,分为两种:一种是单阵列型,另一种是双阵列型。双阵列匀光对比单透镜匀光具有更优异的效果,且双透镜匀光光路对入射光的发散角有一定的容差。所以在这两种光路之中,双阵列型匀光光路更为常见,也更为好用。下图便是现在常见的双阵列透镜匀光光路。其主要的元件是两片规格参数相近的两片微透镜阵列,以及后方的傅里叶透镜。

双微透镜阵列匀光光路

LA1:微透镜阵列1    LA2:微透镜阵列2   FL:菲涅尔透镜   FP:接收屏面   dn:入射准直光直径  DPT:匀光大小

fLA1:阵列1的焦距     fLA2:阵列2的焦距    a12:双阵列间距   S:阵列2与菲涅尔透镜间距    fFL:菲涅尔透镜焦距

激光光源经过扩束准直后,平行入射。平行入射的激光束,打在第一面微透镜阵列上,经过每个子单元的聚焦,重新形成阵列排布的焦点。可近似地将入射的光束,看成对应于透镜阵列的光束簇阵列。重新聚焦后的多个小光束相互叠加,基于阵列排布的对称性,也即出射小光束的对称性,小光束的不均匀性相互抵消,最终在接收屏幕上形成均匀的目标光斑。光斑大小关系如下式所示:(pLA为透镜阵列的子单元口径大小)

DFT=pLA·fFL·(fLA1+fLA2-a12/(fLA1·fLA2)

在上光路所示的条件下,a12=fLA2,上式可以化简如下:

DFT= pLA·fFL/ fLA2

实际光路应用中,应当注意:

1.     LA1与LA2之间的小,以及傅里叶透镜的焦距大小,均会影响最中成像光斑的大小。

2.     准直光束经由阵列1子单元所成在阵列2上的像尺寸大小应当小于阵列2的子弹原尺寸。

3.     由于LA2FL之间非平行光束的存在,FL的尺寸大小应当适足,避免能量丢失。

4.     理论上,阵列镜的子单元数量越多,其匀化效果越好。如果不增加透镜整体面积,缩小子单元的尺寸以提高数量,由于激光的高相干性以及菲涅尔衍射效应的影响,过小的子单元尺寸,反而无法得到较好的匀化效果。

此外,由于傅里叶透镜的周期性,出射光斑经过透镜汇聚会,仍然会呈现出周期性的光斑阵列,影响了最终微透镜匀化光斑的效果。(成像光斑的能量频谱图如下)

周期性匀化光斑能量分布

所以,为了进一步提高微透镜激光匀化的质量,可以考虑从打乱成像光斑阵列的周期性排列入手。较为常见且简便的提高匀化质量的方法有:采用随机点阵微透镜阵列,添加扩散片等。采用随机点阵微透镜阵列,可以有效的破坏出射光斑在接收屛面排列的周期性。(效果如下图)


随机点阵光斑能量分布

 

扩散片的使用,则与随机点阵大不相同。带扩散片的光路,是在光束入到微透镜之前,先用扩散片对入射光进行初步的匀化,从而降低其相干性。经过匀化后的光束,再经准直处理,打在双阵列匀化镜子,最终成像出较好的匀化光斑。(其光路如下图)

带扩散片的激光匀化光路

匀化片两侧,是参数相同的聚焦透镜。激光光源,经准直入射,在第一个聚焦透镜上聚焦,而扩散片,恰落在其焦面上。经焦面上的扩散片匀化出射后的光源,再被准直,打在双阵列匀化光路上。相干性的减小,可以大大的减少接收屏面上子单元成像的小光斑之间的锐利边缘的产生。



匀化效果对比(左图:为加扩散片的匀化效果;右图:扩散片的匀化效果) 

将激光光源能量的高斯分布匀化成平顶光,对现代的激光应用而言愈来愈重要,也愈来愈常见。其匀光的方法多种多样——匀光片、扩散片、匀光光纤、微透镜阵列等等。不同的元件,其原理各不相同,但核心仍然是围绕着其匀光原理是衍射或是折射,以及其匀光效。本文简单的介绍了应用双微透镜阵列的激光匀化,并就其匀化效果以及效果提升上做了对前任研究经验和方法的总结。


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