CN103969832A - 基于微透镜阵列的激光扩束匀光器 - Google Patents

Abstract

基于微透镜阵列的激光扩束匀光器，属于激光扩束领域。所述激光扩束匀光器依次由位于同一直线上的第一级微透镜阵列、可变光阑和第二级微透镜阵列构成，三者的屏边平行，组成共轴系统。其中，第一级微透镜阵列和第二级微透镜阵列的微透镜元参数相同，微透镜元直径为p，微透镜阵列的后焦距为f；第一级微透镜阵列的直径为D₁，可变光阑的最大直径为D₂，第二级微透镜阵列的直径为D₃，两级微透镜阵列之间的距离为d，可变光阑距第一级微透镜阵列和第二级微透镜阵列的距离分别为f和d-f。本发明通过应用微透镜阵列取代单透镜设计扩束系统，改善扩束光学系统像差质量，简化系统结构，提高扩束比，降低了系统装调的精度要求。

Description

基于微透镜阵列的激光扩束匀光器

技术领域

本发明属于激光扩束领域，涉及一种基于微透镜阵列光学元件的光学系统，可用于激光扩束和激光投影。

背景技术

传统的激光扩束器件是以两个单透镜(聚焦镜)组成，前一个透镜将激光光束聚焦在其像方焦点上(也是后一透镜的物方焦点)，后一透镜把焦面上的光以平行光透射出去，扩束比与前后两个透镜的焦距比有关。这种反望远镜式的扩束系统，要取得大的扩束比，必须采用较大口径的透镜，而大口径的透镜，无论是加工还是装调，都很困难甚至不可能；而且系统质量和体积很大，需要较高的装调精度：更为严重的是，由于透射系统对高能激光有严重的鬼像效应，这使得反望远镜式的扩束系统不能用于大功率高能激光的扩束。

目前，这种反望远镜式的扩束系统主要有两种形式：伽利略望远镜式扩束镜和开普勒望远镜式扩束镜，除上述的共有缺点和不足外，还有着各自的缺点和不足。

伽利略望远镜式扩束镜包括一个输入的凹透镜和一个输出的凸透镜，一般的尽可能的被设计为小的球面像差，低的波前变形和消色差。它的局限性在于不能容纳空间滤波或者进行大倍率的扩束。

开普勒望远镜式扩束镜由两块凸透镜组成，其主要缺点是有较大的像差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于微透镜阵列光学元件的激光扩束系统，其可应用于激光扩束和激光投影，通过应用微透镜阵列取代单透镜设计扩束系统，改善扩束光学系统像差质量，简化系统结构，提高扩束比，降低了系统装调的精度要求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于微透镜阵列光学元件的激光扩束系统，依次由位于同一直线上的第一级微透镜阵列、可变光阑和第二级微透镜阵列构成，三者的屏边平行，组成共轴系统。其中，第一级微透镜阵列和第二级微透镜阵列的微透镜元参数相同，微透镜元直径为p，微透镜阵列的后焦距为f；第一级微透镜阵列的直径为D₁，可变光阑的最大直径为D₂，第二级微透镜阵列的直径为D₃，第一级微透镜阵列和第二级微透镜阵列之间的距离为d，可变光阑距第一级微透镜阵列和第二级微透镜阵列的距离分别为f和d-f。

考虑到一般的激光器的出射光束的直径一般在5mm左右，本发明中第一级微透镜阵列的直径D₁＝10mm，第二级微透镜阵列的直径D₃＝60mm，第一级微透镜阵列和第二级微透镜阵列之间的距离d＝35mm，采用Thorlabs公司的MLAl50-7AR微透镜阵列的后焦距为f＝6.7mm，p＝150μm，可变光阑的最大直径D₂＝12.5mm，p、f、D₁、D₂、D₃、d满足下式：

$\frac{d}{d-f}=\frac{D_3-D_1}{D_2-D_1}.$

本发明具有如下优点：

(1)采用微透镜阵列代替单透镜，利用微透镜阵列具有较高的衍射效率的特点，可用于大功率激光扩束匀光，提高入出射光功率比；

(2)采用两级微透镜阵列，进一步扩大了扩束比，提高了均匀度；

(3)两级微透镜阵列之间添加了可变光阑，可以调节出射光束的孔径；

(4)理论和实验表明，系统对两级微透镜阵列之间的距离d不敏感，即距离d的小量变化并不对扩束比和均匀度产生大的影响，提高了对为透镜阵列装调误差的容忍度；

(5)可用于大功率激光扩束匀光。

附图说明

图1为微透镜阵列；

图2为微透镜阵列扩束匀光示意图；

图3为两级微透镜阵列对激光光束扩束均匀化示意图；

图4为扩束匀光实验光屏上的匀光扩束投影；

图中：1-第一级微透镜阵列，2-第二级微透镜阵列，3-可变光阑。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

微透镜阵列是一种二元光学器件，是在一个平板上加工出紧密排列的微米级的微小透镜阵列。区别于传统的光学器件，在衍射效率、器件体积等方面有着显著的提高。如图1所示。

微透镜阵列的这种特殊结构使得其对激光光束有扩束均匀化的作用。微透镜阵列对激光光束扩束均匀化的作用如图2所示。

假设微透镜阵列由(2n+1)个子透镜组成，子透镜孔径为p，焦距为f，入射光为单色激光，波长为λ，进行一维计算，则入射光经过微透镜阵列后的光场分布为：

U₁(y₁)＝U₀(y₁)·T₁(y₁)

$T_1\left(y_1\right)=\underset{N=-n}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(y_1-\mathrm{pN})\⊗\mathrm{rect}\left(\frac{y_1}{p}\right)\×\exp (-\mathrm{ik}\frac{{y_1}^2}{2f}).$

其中：U₀和U₁分别微透镜前后的光场分布，T₁是微透镜阵列的透过函数，y₁是一维坐标。

一般情况下，单个微透镜阵列可以对入射光束产生扩束，但对入射光束的均匀化效果较差。本发明中采用两级微透镜阵列，即在第一级微透镜阵列后放置第二级微透镜阵列，进一步产生扩束和匀光作用。如图3所示，依次由位于同一直线上的第一级微透镜阵列1、可变光阑3和第二级微透镜阵列2构成，三者的屏边平行，组成共轴系统。其中，第一级微透镜阵列1和第二级微透镜阵列2的微透镜元参数相同，微透镜元直径为p，微透镜阵列的后焦距为f；第一级微透镜阵列1的直径为D₁，可变光阑2的最大直径为D₂，第二级微透镜阵列2的直径为D₃，第一级微透镜阵列1和第二级微透镜阵列2之间的距离为d，可变光阑3距第一级微透镜阵列1和第二级微透镜阵列2的距离分别为f和d-f。

假设两级微透镜阵列的结构参数相同，则透过第二级微透镜阵列2后的光场分布为：

$\begin{array}{c}{U}_2\left(y_2\right)=U_1\left(y_1\right)\·T\left(y_2\right)=\\ \frac{\sin \left(\mathrm{\π}(2n+1){\mathrm{pf}}^{\′}\right)}{{\mathrm{\πf}}^{\′}}\×\underset{N=-n}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(y_2-\mathrm{pN})\⊗\mathrm{rect}\left(\frac{y_2}{p}\right);\end{array}$

其中： $f^{\′}=\frac{y_2}{\mathrm{\λd}}.$

其中：U₁和U₂分别第二片微透镜前后的光场分布，T是传播d距离和微透镜阵列的等效透过函数，y₁是第一片微透镜阵列的一维坐标。y₂是第二片微透镜阵列的一维坐标。

本发明的工作原理如下：

激光光束照射到第一级微透镜阵列1上，由于衍射作用对入射光衍射扩束，而多个微透镜的衍射光重叠出匀光效果，但匀光效果不佳，衍射光传播到第二级微透镜阵列2的过程可看作是菲涅尔近程衍射，在经过第二级微透镜阵列2后起到较为理想的均匀光场分布。

Claims (6)

1.一种基于微透镜阵列的激光扩束匀光器，其特征在于所述激光扩束匀光器依次由位于同一直线上的第一级微透镜阵列、可变光阑和第二级微透镜阵列构成，三者的屏边平行，组成共轴系统；其中，可变光阑距第一级微透镜阵列和第二级微透镜阵列的距离分别为f和d-f，f为微透镜阵列的后焦距，d为第一级微透镜阵列和第二级微透镜阵列之间的距离。

2.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的激光扩束匀光器，其特征在于所述第一级微透镜阵列和第二级微透镜阵列的微透镜元参数相同。

3.根据权利要求2所述的基于微透镜阵列的激光扩束匀光器，其特征在于所述微透镜元直径p＝150μm，微透镜阵列的后焦距f＝6.7mm。

4.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的激光扩束匀光器，其特征在于所述第一级微透镜阵列、可变光阑和第二级微透镜阵列满足以下条件：

其中，D₁为第一级微透镜阵列的直径，D₂为可变光阑的最大直径，D₃为第二级微透镜阵列的直径。

5.根据权利要求1、2或4所述的基于微透镜阵列的激光扩束匀光器，其特征在于所述第一级微透镜阵列的直径D₁＝10mm，第二级微透镜阵列的直径D₃＝60mm，第一级微透镜阵列和第二级微透镜阵列之间的距离d＝35mm。

6.根据权利要求1或4所述的基于微透镜阵列的激光扩束匀光器，其特征在于所述可变光阑的最大直径D₂＝12.5mm。