CN103246066B - 一种对面阵半导体激光光束进行匀化处理的光学*** - Google Patents

Abstract

本发明为一种对面阵半导体激光光束进行匀化处理的光学***，含有面阵半导体激光器、准直透镜阵列、第一微透镜阵列、第二微透镜阵列、慢轴场镜、快轴场镜，面阵半导体激光器位于微准直透镜阵列的前焦面上，并以面阵半导体激光器输出激光束为***光轴；第一微透镜阵列、第二微透镜阵列、慢轴场镜和快轴场镜依序位于光轴上并垂直于光轴；半导体激光器发出的多模激光光束经准直透镜阵列准直后平行入射，再经第一微透镜阵列将激光光束均匀地分割成多个子光束并聚焦于后焦面上，再经第二微透镜阵列、慢轴场镜和快轴场镜将每一子光束叠加于场镜的后焦面，即照明面上。本发明用柱形菲涅耳衍射微透镜阵列实现对半导体激光光束的匀化，提高光束的质量。

Description

一种对面阵半导体激光光束进行匀化处理的光学***

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种利用多个柱型菲涅耳微透镜组成的阵列对面阵半导体激光光束进行匀化的光学***。

背景技术

半导体激光器广泛地应用于焊接、退火、切割、打孔、微细加工以及军事、医疗等各个领域，对激光光束的外形、功率密度、能量分布的均一性以及稳定性有着很高的要求。因此，对半导体激光光束进行匀化处理已成为了一种必要的技术手段。

目前，半导体激光光束匀化的方法主要有两种：一种是波导方法，另一种是微透镜阵列法。前者不受入射光束的能量分布及随时波动的影响，但匀化后光束的光亮度低，且***部件多，体积大，不容易集成组装。后者主要由准直透镜，非球面微透镜阵列，傅里叶透镜组成，***部件少，体积小，容易集成，光斑能量密度高，但制造折射型非球面微透镜阵列非常困难，且生产成本很高。此外普通的折射型非球面微透镜由于工艺限制，其口径单元很难实现微型化且存在过渡区域，因而导致能量利用率较低，均匀性较差。在保证光束均匀性的前提下，若能降低制造微透镜阵列的工艺难度及生产成本，则微透镜阵列激光光束匀化***更加具有实用性。

发明内容

本发明的目的是为了提高面阵半导体激光光束的均匀性、能量利用率及控制光斑的外形尺寸，降低工艺难度及生产成本，提高微透镜阵列激光匀化***的实用性。为了解决上述问题，提出了一种利用柱型菲涅耳衍射微透镜阵列对面阵半导体激光光束进行匀化的光学***。

所述光学***主要构成有：面阵半导体激光器、准直透镜阵列、第一微透镜阵列、第二微透镜阵列、慢轴场镜、快轴场镜；面阵半导体激光器位于微准直透镜阵列的前焦面上，并以面阵半导体激光器输出激光束为***光轴；第一微透镜阵列、第二微透镜阵列、慢轴场镜和快轴场镜依序位于光轴上并垂直于光轴；半导体激光器发出的多模激光光束经准直透镜阵列准直后平行入射，再经第一微透镜阵列将激光光束均匀地分割成多个子光束并聚焦于后焦面上，再经第二微透镜阵列、慢轴场镜和快轴场镜将每一子光束叠加于场镜的后焦面，即照明面上。

本发明的有益效果：本发明采用柱型菲涅耳衍射微透镜组成的阵列对面阵半导体激光光束进行匀化，使焦平面上的光斑均匀性达到了8.3％，衍射效率达到了94.4％，有效地实现了对激光光束的匀化，相对波导匀化***和非球面微透镜阵列匀化***，缩小了分割微透镜的口径，对入射激光光束的分割次数增多，每次分割的面积减小，从而提高了匀化光束的均匀性；柱型菲涅耳微透镜阵列没有过渡区，提高了光斑的能量利用率；柱型菲涅耳微透镜阵列制作简单精确，降低了制作微透镜阵列的工艺难度及生产成本，很大程度上提高了微透镜阵列匀化***的实用性。

附图说明

图1a和图1b是含有第一微透镜阵列和第二微透镜阵列的面阵半导体激光光束匀化***原理图；

图2是一个柱型菲涅耳衍射微透镜y-z面视图；

图3是柱型菲涅耳衍射微透镜结构参数示意图；

图4a-图4c是第一微透镜阵列和第二微透镜阵列组成的面阵半导体激光光束匀化***ZEMAX模拟结果；

图5是第一微透镜阵列和第二微透镜阵列组成的面阵半导体激光光束匀化***MATLAB数值模拟结果；

图6a和图6b是第一微透镜阵列或第二微透镜阵列构成的面阵半导体激光光束匀化***原理图；

图7a-图7c是第一微透镜阵列或第二微透镜阵列构成的面阵半导体激光光束匀化***ZEMAX模拟结果；

图8是第一微透镜阵列或第二微透镜阵列组成的面阵半导体激光光束匀化***MATLAB数值模拟结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1a、图1b所示柱型菲涅耳衍射微透镜阵列激光光束匀化***设计。***含有：面阵半导体激光器1、准直镜阵列2、第一微透镜阵列3、第二微透镜阵列4、慢轴场镜5和快轴场镜6。面阵半导体激光器1位于微准直镜阵列2的前焦面上，并以面阵半导体激光器1输出激光束为***光轴。第一微透镜阵列3、第二微透镜阵列4、慢轴场镜5和快轴场镜6依序位于光轴上并垂直于光轴；面阵半导体激光器1发出的多模激光光束经准直透镜阵列2准直后平行入射，再经第一微透镜阵列3将激光光束均匀地分成多个子光束并聚焦于后焦面上，再经第二微透镜阵列4和慢轴场镜5和快轴场镜6将每一子光束叠加于场镜的后焦面，即照明面上。

所述第一微透镜阵列3和第二微透镜阵列4的参数完全相同，分别由多个相同的柱型菲涅耳衍射微透镜7紧密排列而成。菲涅耳衍射微透镜7如图2所示。所述第一微透镜阵列3、第二微透镜阵列4之间的间距为一个柱型菲涅耳衍射微透镜7的焦距，即第一微透镜阵列3位于第二微透镜阵列4的前焦面上。

所述第一微透镜阵列3、第二微透镜阵列4的朝向为同向放置，或背向放置，即第一微透镜阵列3、第二微透镜阵列4分别具有阶梯相位结构的两个面同时指向光轴的正方向，或一个面朝光轴正方向，另一个面朝光轴负方向。

由多个柱型菲涅耳衍射微透镜7组成柱型菲涅耳衍射微透镜阵列，使用一组所述的柱型菲涅耳衍射微透镜阵列作为匀化器，或使用两组所述的柱型菲涅耳衍射微透镜阵列作为匀化器，都能使面阵半导体激光光束匀化。

所述柱型菲涅耳衍射微透镜7的数量由其口径及入射光束的大小的决定，即柱型菲涅耳衍射微透镜7的数量等于入射光束的大小除以柱型菲涅耳衍射微透镜7的口径。

所述柱型菲涅耳衍射微透镜7具有相同的口径、相位台阶数、刻蚀深度、焦距等结构参数。

所述柱型菲涅耳衍射微透镜7的相位台阶数为2^K，其中K为制作柱型菲涅耳衍射微透镜阵列的掩膜板数(K＝2，3，4，5，6)；当取K＝3或4，此时衍射效率的理论值达95％或98％，K值越大，衍射效率越高，加工难度也相应增大。由于柱型菲涅耳衍射微透镜7的口径很小，其内部的光场分布相对是比较均匀的，所有被分割的波前都均匀的叠加在一起，从而达到光束匀化的目的。

柱型菲涅耳衍射微透镜阵列设计：柱型菲涅耳衍射微透镜7是基于菲涅耳波带片的近场衍射，将其图形制作成多阶相位结构。由标量衍射理论可知，柱型菲涅耳衍射微透镜7可近似看成是折射透镜的相位量化形貌，不同的是其作用机理是衍射而不是折射，这就意味着出射波前只由器件的横向尺寸决定，而与纵向尺寸无关。因此，只要图形发生和光刻工艺过程足够精确，当用平面波照射微透镜阵列时就能产生完善的球面波，不会因器件相位的多台阶结构而产生任何形变。同理，器件的几何光学参数(如焦距等)也不会因相位的多台阶结构而改变。

如图2一个柱型菲涅耳衍射微透镜7的y-z面视图所示。柱型菲涅耳衍射微透镜7的阵列设计方法如下：首先根据柱型菲涅耳衍射微透镜7所要求的焦距f，衍射效率η，以及第一透镜阵列3、第二透镜阵列4的最大孔径L，计算相应的结构参数。设N为台阶数，r_mn为第n个环带第m阶梯的半径，λ为入射波长，m为阶梯的个数，n为环带的个数，图3中r为柱型菲涅耳衍射微透镜7的半口径。由图3柱型菲涅耳衍射微透镜7的结构参数示意图可知，

$r_{\mathrm{mn}}=\sqrt{{(f+\frac{\mathrm{\λm}}{N}+(n-1)f)}^2-f^2}$

当n＝1且 $\left(\frac{\mathrm{m\&lambda;}}{N}\right)<<\frac{2\mathrm{m\&lambda;f}}{N}$ 时，得 $r_{\mathrm{mn}}=r_{m1}=\sqrt{\frac{2\mathrm{m\&lambda;f}}{N}}$ 和 $f=\frac{r_{m1}^{2}N}{2\mathrm{m\&lambda;f}}.$

根据衍射效率η＝sinc²(1/N)×100％，要使衍射效率高于90％，台阶数N应该大于或等于8，考虑制造工艺的难度，一般取N＝8。

焦斑在快轴方向的尺寸由快轴场镜6的焦距、柱型菲涅耳衍射微透镜7的尺寸及焦距决定，具体的计算公式为：

$L_{\mathrm{BF}}=\frac{f_{\mathrm{FF}}}{f_{\mathrm{FMLA}}}\&times;D_{\mathrm{FMLA}}$

其中L_BF为焦斑在快轴方向的尺寸，f_FF为快轴场镜6的焦距，f_FMLA为柱型菲涅耳衍射微透镜7的焦距，D_FMLA为柱型菲涅耳衍射微透镜7的口径。

焦斑在慢轴方向的尺寸由慢轴场镜5的焦距及激光光束的发散角决定，具体的计算公式为：

$W_{\mathrm{BS}}=2\&times;f_{\mathrm{FS}}\&times;\mathrm{tg}\left(\frac{\mathrm{\&theta;}}{2}\right)$

其中，W_BS为焦斑在慢轴方向的尺寸，f_FS为慢轴场镜5的焦距，θ为激光光束的发散角。

以设计光学***总长为400mm，外形尺寸：127mm×200mm×385mm，匀化光斑大小为100mm×30mm为实例作具体说明。

实施例1

采用第一微透镜阵列3和第二微透镜阵列4作为激光匀化器，需要确定的参数为柱型菲涅耳衍射微透镜7、慢轴场镜5、快轴场镜6的参数。由第一微透镜阵列3和第二微透镜阵列4组成的面阵半导体激光光束匀化***原理图如图1a和图1b，其中：

一个柱型菲涅耳衍射微透镜7的参数：口径D_FMLA＝0.125mm，焦距f_FMLA＝1.25mm，相位台阶数N＝8；

慢轴场镜5的参数：焦距f_FS＝375mm，口径D_FS＝127mm，长度L_FS＝160mm；

快轴场镜6的参数：焦距f_FF＝300mm，口径D_FF＝160mm，长度L_FF＝127mm；

***所有材料都为二氧化硅(SILICA)。

实施例2

采用第一微透镜阵列3或第二微透镜阵列4作为激光匀化器，需要确定的参数为柱型菲涅耳衍射微透镜7、慢轴场镜5、快轴场镜6的参数。由第一微透镜阵列3或第二微透镜阵列4构成的面阵半导体激光光束匀化***原理图如图6a和图6b，其中：

一个柱型菲涅耳衍射微透镜7的参数：口径D_FMLA＝0.125mm，焦距f_FMLA＝1.25mm，相位台阶数N＝8；

慢轴场镜5的参数：焦距f_FS＝375mm，口径D_FS＝127mm，长度L_FS＝160mm；

快轴场镜6的参数：焦距f_FF＝300mm，口径D_FF＝160mm，长度L_FF＝127mm；

***所有材料都为二氧化硅(SILICA)。

为了验证柱型菲涅耳衍射微透镜阵列激光光束匀化光学***的可行性，在光学设计软件ZEMAX中采用非序列光线追踪方法进行了模拟。激光光束的均匀性一般用光强均方根RMS来评价，

$\mathrm{RMS}=\frac{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}(I_i-\stackrel{\&OverBar;}{I})/M}}{\stackrel{\&OverBar;}{I}},$

其中I_i为第i个取样点的光强，为所有光强的平均光强，M为取样点数，i为取样点序号。

***的衍射效率η一般以半高全宽(FWHM)包络内的能量除以入射总能量的百分比来衡量，

$\mathrm{\&eta;}=\frac{I_{\mathrm{FWHM}}}{I_{\mathrm{Total}}}\&times;100\%.$

其中I_FWHM为半高全宽(FWHM)包络内的能量，I_Total为入射总能量。

实施例1的仿真结果：利用光学设计仿真软件ZEMAX模拟所得结果如图4a-图4c是由第一微透镜阵列3和第二微透镜阵列4组成的面阵半导体激光光束匀化***ZEMAX模拟结果所示，其中图4a是焦斑在x轴方向的辐照强度曲线，图4b是焦斑在y轴方向的辐照强度曲线，图4c是焦斑的在x-y平面内的灰度图；将光学设计仿真软件ZEMAX得到的数据导入MATLAB中进行数值计算，如图5第一微透镜阵列3和第二微透镜阵列4组成的面阵半导体激光光束匀化***MATLAB数值模拟结果所示。通过计算得到激光光束的光强均方根RMS和衍射效率η分别为8.3％、94.4％，均方根低于期望值10％，衍射效率与理论值94.7％相符。

实施例2的仿真结果：利用光学设计仿真软件ZEMAX模拟所得结果如图7a-图7c是由第一微透镜阵列3或第二微透镜阵列4构成的面阵半导体激光光束匀化***ZEMAX模拟结果所示，其中图7a是焦斑在x轴方向的辐照强度曲线，图7b是焦斑在y轴方向的辐照强度曲线，图7c是焦斑的在x-y平面内的灰度图；将光学设计仿真软件ZEMAX得到的数据导入MATLAB中进行数值计算，如图8第一微透镜阵列3或第二微透镜阵列4构成的面阵半导体激光光束匀化***MATLAB数值模拟结果所示。通过计算得到激光光束的光强均方根RMS和衍射效率η分别为6.0％、95.5％，均方根低于期望值10％，衍射效率与理论值94.7％相符。

因此，采用柱型菲涅耳衍射微透镜阵列光束匀化***实现了对面阵半导体激光光束的匀化，提高了激光光束的质量，简化了微透镜阵列的制作工艺并降低了其生产成本，大大提高了微透镜阵列光束匀化***的实用性。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (8)

1.一种对面阵半导体激光光束进行匀化处理的光学***，其特征在于：所述光学***主要构成为：面阵半导体激光器、准直透镜阵列、第一微透镜阵列、第二微透镜阵列、慢轴场镜和快轴场镜，其中：面阵半导体激光器位于准直透镜阵列的前焦面上，并以面阵半导体激光器输出激光束为***光轴；第一微透镜阵列、第二微透镜阵列、慢轴场镜和快轴场镜依序位于光轴上并垂直于光轴；半导体激光器发出的多模激光光束经准直透镜阵列准直后平行入射，再经第一微透镜阵列将激光光束均匀地分割成多个子光束并聚焦于后焦面上，再经第二微透镜阵列、慢轴场镜和快轴场镜将每一子光束叠加于场镜的后焦面，即照明面上；第一微透镜阵列与第二微透镜阵列由多个相同的柱型菲涅耳衍射微透镜紧密排列构成。

2.根据权利要求1所述的光学***，其特征在于，所述第一微透镜阵列、第二微透镜阵列之间的间距为柱型菲涅耳衍射微透镜的焦距，即第一微透镜阵列位于第二微透镜阵列的前焦面上。

3.根据权利要求1所述的光学***，其特征在于，所述第一微透镜阵列、第二微透镜阵列的朝向为同向放置，或背向放置，即第一微透镜阵列、第二微透镜阵列分别具有阶梯相位结构的两个面同时指向光轴的正方向，或一个面朝光轴正方向，另一个面朝光轴负方向。

4.根据权利要求1所述的光学***，其特征在于，所述第一微透镜阵列、第二微透镜阵列的y轴方向分别与面阵半导体激光束的快轴方向一致。

5.根据权利要求1所述的光学***，其特征在于，所述第一微透镜阵列、第二微透镜阵列由多个柱型菲涅耳衍射微透镜组成两组柱型菲涅耳衍射微透镜阵列作为匀化器，或第一微透镜阵列由多个柱型菲涅耳衍射微透镜组成一组柱型菲涅耳衍射微透镜阵列作为匀化器，都能使面阵半导体激光光束达到匀化。

6.根据权利要求1所述的光学***，其特征在于，所述柱型菲涅耳衍射微透镜的数量由其口径及入射光束的大小的决定。

7.根据权利要求1所述的光学***，其特征在于，所述柱型菲涅耳衍射微透镜具有相同的口径、相位台阶数、刻蚀深度、焦距等结构参数。

8.根据权利要求1所述的光学***，其特征在于，所述柱型菲涅耳衍射微透镜的相位台阶数为2^K，其中K为制作柱型菲涅耳衍射微透镜阵列的掩膜板数，K＝2，3，4，5，6；当取K＝3或4，此时衍射效率的理论值达95％或98％。