基于柱面微透鏡陣列的激光勻化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)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(chǎng)合對(duì)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(guò)程中光能利用率較低,并且很容易造成局部溫度過(guò)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(diǎn),在激光切割、焊接、熔覆等激光加工工藝、非線性激光抽運(yùn)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(chǎng)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(jiǎn)單、傳輸損耗小、損傷閾值高、對(duì)入射光強(qiáng)分布要求小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要圍繞形成斑點(diǎn)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(bào)道較少,本文設(shè)計(jì)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(dòng)光學(xué)出發(fā),對(duì)成像系統(tǒng)的光束勻化特性進(jìn)行了理論分析,最后通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)獲得了光斑長(zhǎng)度可調(diào)的均勻線光斑,同時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論相吻合,這種長(zhǎng)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(jià)值[17]。

2 成像型柱面微透鏡陣列光束勻化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 原理簡(jiǎn)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(guò)微透鏡陣列LA1后被分割為多個(gè)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(shí)現(xiàn)了光斑能量的均勻化,使光場(chǎng)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(zhǎng)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(duì)初始光線在空間中的傳播過(guò)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(guò)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(gè)傳播過(guò)程可以通過(guò)初始光線矩陣依次與傳播過(guò)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(shí),可得焦平面上的光斑長(zhǎng)度:

(2)

從式(2)可以看出成像光斑的長(zhǎng)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(gè)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)不同的成像光斑長(zhǎng)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(zhǎng)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(jiǎn)單地對(duì)邊緣光線進(jìn)行了追跡,推導(dǎo)得到成像光斑長(zhǎng)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(chǎng)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(gè)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(chǎng)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(chǎng),sinc函數(shù)可以看成是多縫干涉作用光場(chǎng)。因此,成像光斑可以看成是由單個(gè)透鏡的衍射與(2n+1)個(gè)狹縫的多縫干涉共同作用的光場(chǎng)分布。

2.3 仿真分析

通過(guò)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(gè)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(gè)柱面子透鏡緊密排列的結(jié)構(gòu),各個(gè)子單元之間會(huì)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(chǎng)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(zhǎng)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(shí),單透鏡的菲涅爾衍射效應(yīng)減弱,同時(shí)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(shí)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(chǎng)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(zhǎng)度隨著子透鏡焦距的增大而減小,而光斑均勻度沒(méi)有變化。這主要是由于焦距改變時(shí),對(duì)光場(chǎng)的衍射效應(yīng)及干涉效應(yīng)不會(huì)造成影響,因此,光斑均勻性不會(huì)發(fā)生改變。

圖4 不同子透鏡焦距時(shí)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(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

基于柱面微透鏡陣列的半導(dǎo)體激光勻化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示,采用波長(zhǎng)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(huì)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(chǎng)分布,其中,傅里葉透鏡FL焦距大小fFL為133 mm。在本實(shí)驗(yàn)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(gè)不同的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng):

實(shí)驗(yàn)一:柱面微透鏡陣列1作為L(zhǎng)A1,柱面微透鏡陣列2作為L(zhǎng)A2；

實(shí)驗(yàn)二:柱面微透鏡陣列3作為L(zhǎng)A1,柱面微透鏡陣列4作為L(zhǎng)A2。

圖5 基于柱面微透鏡陣列的光束勻化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of cylindrical microlens arrays experiment

3.2 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)一與實(shí)驗(yàn)二,通過(guò)CCD探測(cè)焦平面上的成像光斑,當(dāng)兩組實(shí)驗(yàn)中微透鏡陣列間距為第一列微透鏡陣列的焦距時(shí),所測(cè)圖像如圖6所示,其中圖6(a)為實(shí)驗(yàn)一成像光斑圖像,圖6(b)為實(shí)驗(yàn)一光強(qiáng)分布圖；圖6(c)為實(shí)驗(yàn)二成像光斑圖像,圖6(d)為實(shí)驗(yàn)二光強(qiáng)分布圖。從圖中可以看出,兩組實(shí)驗(yàn)均實(shí)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(gè)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(gè)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(duì)比兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以看出實(shí)驗(yàn)二光束均勻性明顯優(yōu)于實(shí)驗(yàn)一光束均勻性,這主要是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)一所用微透鏡陣列子透鏡孔徑為250 μm,實(shí)驗(yàn)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(shí),子束越多相干疊加越強(qiáng)烈,使得光場(chǎng)干涉條紋更加明顯,造成實(shí)驗(yàn)一光斑均勻度小于實(shí)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(chǎng)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(duì)光斑長(zhǎng)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(cè)不同微透鏡間距時(shí)傅里葉透鏡焦平面上的光斑長(zhǎng)度大小,記錄下相應(yīng)的數(shù)據(jù)。圖7為實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果,其中圖7(a)為實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)結(jié)果,圖7(b)為實(shí)驗(yàn)一理論計(jì)算結(jié)果,圖7(c)為實(shí)驗(yàn)二實(shí)驗(yàn)結(jié)果,圖7(d)為實(shí)驗(yàn)二理論計(jì)算結(jié)果。

圖7 光斑長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)一中,目標(biāo)平面上的光斑長(zhǎng)度隨著微透鏡陣列間距的增大呈線性減小,光斑長(zhǎng)度在5～34 mm范圍內(nèi)可調(diào),當(dāng)微透鏡陣列間隔最為實(shí)驗(yàn)所能調(diào)節(jié)的最小距離0.5 mm時(shí),光斑長(zhǎng)度可以達(dá)到最大34 mm,當(dāng)微透鏡陣列間隔為3 mm時(shí),光斑長(zhǎng)度降至最小5 mm,大于該距離后,光斑長(zhǎng)度不再發(fā)生改變,實(shí)驗(yàn)結(jié)果理論具有一致性。在實(shí)驗(yàn)二中,焦平面上的光斑長(zhǎng)度隨著微透鏡陣列間隔的增大呈線性減小,光斑長(zhǎng)度在2～24 mm范圍內(nèi)可調(diào),當(dāng)微透鏡陣列間隔最為實(shí)驗(yàn)所能調(diào)節(jié)的最小距離0.5 mm時(shí),光斑長(zhǎng)度可達(dá)到最大24 mm,當(dāng)微透鏡陣列間隔調(diào)至11 mm時(shí),光斑長(zhǎng)度降至最小2 mm,大于該距離后,光斑長(zhǎng)度不再發(fā)生改變,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論具有一致性。以上實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)度可調(diào)的矩形線光斑,光斑長(zhǎng)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(jì)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了光線追跡,分析了靶面光斑長(zhǎng)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(guò)MATLAB數(shù)值求解,仿真分析了成像光場(chǎng)光強(qiáng)分布特性。最終,通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)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(shí)現(xiàn)線光斑長(zhǎng)度的靈活調(diào)節(jié),長(zhǎng)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。