CN110286500B - 一种基于石墨烯电光调制匀场消散斑的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于石墨烯电光调制匀场消散斑的装置，属于激光应用技术领域。本发明主要解决现有的激光投影消散斑装置存在的光损严重、结构复杂、成本高的技术问题。本发明采用的技术方案是：一种基于石墨烯电光调制匀场消散斑的装置，其包括激光源、汇聚透镜、散射片、石墨烯电光调制装置、匀光管和中继透镜，所述的石墨烯电光调制装置包括衬底、石墨烯、电极和供电模块，所述石墨烯平覆于所述的衬底上并且石墨烯的边缘相对于衬底内缩，所述电极设在衬底的两侧并且与所述石墨烯充分接触，所述的供电模块与所述的电极相连接；所述石墨烯为单层或者3～5层，厚度为0.35～3.5nm。本发明通过石墨烯的电光调制达到匀场消散斑的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于石墨烯电光调制匀场消散斑的装置，属于激光应用技术领域。
背景技术
激光具有亮度高，单色性(相干性)与方向性好等特点，在科学研究，工程技术及工农业生产中具有十分重要和广泛的应用。
激光的相干性好，容易产生散斑和背景条纹，这是采用普通非相干光源时所没有的。有关降低或消除散斑和背景条纹的原理和方法，文献中已有多种论述，如：采用多波长激光或脉冲激光叠加等方法降低时间相干性，采用激光器阵列，光纤束、旋转或振动散射体、振动光纤、振动屏幕、超声光栅等方法降低空间相干性。
石墨烯作为一种二维晶格平面材料，具有超宽光谱的吸收范围、超高电导率和高透光率；其光导率会随外加偏置电压的变化而变化，从而改变石墨烯波导的折射率和吸收率，单层石墨烯对透过光的吸收率为2.3％，石墨烯透过光的吸收率具有线性叠加特性，在多层石墨烯(<10层)中，石墨烯透过光的吸收率随层数的增加而线性增大。因此可以采用石墨烯对激光束进行电光调制，通过改变偏置电压改变透过石墨烯的激光束的相位，在屏幕端不同相位的激光束在时域上积分，实现消除激光干涉散斑的现象。
中国专利ZL201210482736.8公开了一种光纤输出激光均匀化消散斑的方法。该方法包括对光纤输出激光器的光纤输出端面或光纤端帽输出面进行粗化处理，将位于插芯中的光纤输出端面或者将光纤端帽输出面清洗后悬浮浸入到腐蚀液中，腐蚀时间为2～20min；所得光纤输出端面由光滑平面变为粗化表面；给激光器通电，观察光斑，所得均匀化的激光束无暗心、无光环、无手电筒现象。但是光纤端面在腐蚀液中粗化处理得到的粗化表面会有一定的吸收损耗，效率不高，光功率的损耗较大。
中国专利CN201210088322.7公开了一种光纤输出激光均匀化消散斑的方法及装置，该方法是通过给光纤施加应力改善光纤输出激光光束的空间分布，同时由震动马达带给光纤的轻微震动匀化照射面上的干涉散斑，该发明的光纤输出激光均匀化消散斑的装置包括底座、光纤、光纤压紧器、震动源；光纤压紧器由顶紧螺丝及上、下两页片扣合组成，扣合面为起伏面，该发明用于光纤输出半导体光纤耦合输出激光器，解决了光纤输出激光的空间分布不均匀性及相干散斑问题。但通过对光纤施加应力来改变输出光束空间分布，方法简单方便，对于光斑中的圆环螺旋条纹有明显的效果，但该方法对于光场中的干涉散斑没有任何效果。
中国专利CN201110050526.7提供一种激光投影系统，该激光投影系统包括光源、相位延迟元件和光束扫描元件。光源包括至少一个频率变换激光源，该激光源包括波长可调激光二极管和波长变换器件。相位延迟元件被配置成将频率变换激光束的偏振分解成两个正交的线偏分量以使一个偏振分量相对于另一个相位滞后。2D图像帧内的频率变换激光束偏振是各偏振分量相对于彼此滞后的程度的函数并随波长可调激光二极管的输出中的波长变化而变化。2D图像帧中的频率变换激光束的偏振变化足以跨2D图像帧置乱图像斑点图案。但该系统的装置不够紧凑，元器件较多，可靠性差。
发明内容
本发明的目的是解决现有激光输出的光场干涉散斑严重的现象，提供一种基于石墨烯电光调制匀场消散斑的装置，满足激光作为高质量光源输出光场消散斑的要求。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于石墨烯电光调制匀场消散斑的装置，其包括激光源、汇聚透镜、散射片、石墨烯电光调制装置、匀光管和中继透镜，所述的激光源、汇聚透镜、散射片、石墨烯电光调制装置、匀光管和中继透镜依序位于一条光轴上，所述激光源的出射光方向上设置汇聚透镜，所述匀光管的进光口位于汇聚透镜的焦点处，所述汇聚透镜与所述匀光管之间依次设置散射片和石墨烯电光调制装置，在所述匀光管的出光方向上设置中继透镜，中继透镜的出射光直接投射在幕上。
所述的汇聚透镜为平凸透镜或双面凸透镜。
所述的石墨烯电光调制装置包括衬底、石墨烯、电极和供电模块。所述的石墨烯平覆于所述的衬底上并且石墨烯的边缘相对于衬底内缩，所述电极设在衬底的两侧并且与所述石墨烯充分接触，所述的供电模块与所述的电极相连接。
所述衬底为高透过率、低折射率的绝缘介质材料，所述绝缘介质材料为二氧化硅、氮化硼或氮化硅中的任意一种。
所述石墨烯为单层或者3～5层，厚度为0.35～3.5nm，制备方法为化学气相沉积方法或液相剥离方法。
所述的电极共包括四个电极，分别位于石墨烯的左右两侧，所述电极材料为：金、银、铝、钛、铬、镍或铜；所述的供电模块为供电PCB板或精密可调直流电源，供电模块提供0～50V的随机直流电压信号。
本发明的有益效果为：
本发明基于石墨烯的电光调制原理，实现激光相位动态调整，将散射片与石墨烯电光调制装置结合使用，实现激光光束的静态散射和动态调整，并在匀光管内多次反射达到激光光束匀场和消散斑的目的。本发明设计合理、结构简单，具有功耗小、体积小、无噪音、光损小、散斑效果消除优良的有益效果，可广泛应用在激光投影镜头结构中，解决了现有的激光投影消散斑装置存在的光损严重、结构复杂、成本高等一系列的技术问题。
附图说明
图1是本发明石墨烯电光调制匀场消散斑装置光路结构示意图；
图2是本发明石墨烯电光调制装置的三维结构图；
图3是本发明石墨烯电光调制装置的俯视图；
图4是图3中A-A剖视图；
图5是通过石墨烯电光调制实现消散斑目的的原理示意图；
图中：1-激光源，2-汇聚透镜，3-散射片，4-石墨烯电光调制装置，5-匀光管，6-中继透镜，7-幕，401-衬底，402-石墨烯，403-电极，404-供电模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本实施例中的一种基于石墨烯电光调制匀场消散斑的装置，其包括激光源1、汇聚透镜2、散射片3、石墨烯电光调制装置4、匀光管5和中继透镜6，所述的激光源1、汇聚透镜2、散射片3、石墨烯电光调制装置4、匀光管5和中继透镜6依序位于一条光轴上，所述激光源1的出射光方向上设置汇聚透镜2，所述匀光管5的进光口位于汇聚透镜2的焦点处，所述汇聚透镜2与所述匀光管5之间依次设置散射片3和石墨烯电光调制装置4，在所述匀光管5的出光方向上设置中继透镜6，中继透镜6的出射光直接投射在幕7上。
所述的汇聚透镜2为平凸透镜或双面凸透镜。
如图2～图4所示，所述的石墨烯电光调制装置包括衬底401、石墨烯402、电极403和供电模块404。所述的石墨烯402平覆于所述的衬底401上并且石墨烯402的边缘相对于衬底401内缩，所述电极403设在衬底401的两侧并且与所述石墨烯402充分接触，所述的供电模块404与所述的电极403采用焊接方式相连接。所述衬底401为高透过率、低折射率的绝缘介质材料，所述绝缘介质材料为二氧化硅、氮化硼或氮化硅中的任意一种。
所述的石墨烯402为单层或者3～5层，厚度为0.35～3.5nm，制备方法为化学气相沉积方法或液相剥离方法。
所述的电极403共包括四个电极，分别位于石墨烯402的左右两侧，所述电极材料为：金、银、铝、钛、铬、镍或铜。
所述的供电模块404为供电PCB板或精密可调直流电源，为石墨烯402提供0～50V的外加栅压。通过调节石墨烯402的外加栅压，改变石墨烯中的载流子浓度，从而改变石墨烯的复折射率，达到石墨烯电光调制的目的，通过对石墨烯电光调制可以有效降低激光干涉产生的散斑现象。
本发明的工作原理：
如图5所示，对于石墨烯电光调制，外加栅压引起的材料的负折射率n变化与电场强度E呈线性关系：
n＝αE
对于石墨烯的电光调制，通常在石墨烯上沉积电极，引入外加栅压，外加栅压会在石墨烯中注入载流子，从而改变石墨烯中载流子浓度。从光学角度来看，改变载流子浓度会引起石墨烯复折射率的变化。根据Kramers-Kronig关系，光学材料的复折射率的实部和虚部是相关联的，会同时发生改变。复折射率的虚部对应于材料对光的吸收，影响光场的振幅；而实部表征的是折射率，影响光场的相位。因此与之作用的光场的振幅和相位会同时受到外加电场的调制。由于石墨烯能带结构是狄拉克锥结构，费米能级与载流子浓度成正比。因此外界电场也就可以实现对石墨烯费米能级的调控，从而实现对特定光子能量光子带间跃迁的开和关，即对石墨烯的吸收系数实现调控。通过改变电场强度，改变石墨烯的折射率，从而改变透过光的相位。
在本发明专利中，将散射片与石墨烯电光调制装置结合使用，将激光束的静态散射和动态散射相结合，具有一定的匀场效果；在一定时间内不同相位的激光束照射在屏幕端，在空间中任意一点上不同相位的激光束在时域上积分，从而实现消除激光干涉散斑的目的。
Claims (4)
1.一种基于石墨烯电光调制匀场消散斑的装置，其特征在于：包括激光源、汇聚透镜、散射片、石墨烯电光调制装置、匀光管和中继透镜，所述的激光源、汇聚透镜、散射片、石墨烯电光调制装置、匀光管和中继透镜依序位于一条光轴上，所述激光源的出射光方向上设置汇聚透镜，所述匀光管的进光口位于汇聚透镜的焦点处，所述汇聚透镜与所述匀光管之间依次设置散射片和石墨烯电光调制装置，在所述匀光管的出光方向上设置中继透镜，中继透镜的出射光直接投射在幕上；
所述的石墨烯电光调制装置包括衬底、石墨烯、电极和供电模块，所述的石墨烯平覆于所述的衬底上并且石墨烯的边缘相对于衬底内缩，所述电极设在衬底的两侧并且与所述石墨烯充分接触，所述的供电模块与所述的电极相连接；
所述衬底为高透过率、低折射率的绝缘介质材料；所述石墨烯为单层或者3～5层，厚度为0.35～3.5nm，制备方法为化学气相沉积方法或液相剥离方法。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯电光调制匀场消散斑的装置，其特征在于：所述的汇聚透镜为平凸透镜或双面凸透镜。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯电光调制匀场消散斑的装置，其特征在于：所述绝缘介质材料为二氧化硅、氮化硼或氮化硅中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯电光调制匀场消散斑的装置，其特征在于：所述的供电模块为供电PCB板或精密可调直流电源，供电模块提供0～50V的随机直流电压信号。
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| 基于散斑干涉的光滑表面变形快速检测;涂思琪等;中国光学;248-254页 * |
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| CN110286500A (zh) | 2019-09-27 |
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