一种降低激光源散斑对比度的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种降低激光源散斑对比度的技术，尤其涉及一种通过机械和电子调制基于光栅外腔光反馈结构的半导体激光器来降低散斑对比度的装置及方法。

背景技术

激光显示技术因它的色域范围大、亮度高、维护成本低等特点，是最具发展潜力的新一代显示技术。但由于激光本身的高相干性所产生的散斑问题阻碍着激光显示技术的进一步应用。

激光散斑是由于激光束在显示屏幕上的随机干涉引起的随机强度图样，对于显示来说会降低图像的分辨率和对比度，导致图像信息丢失，引起眼花和眼疲劳等问题，是激光显示技术中需要解决的关键问题之一。

抑制激光散斑主要有两种思路：其一是通过各种光机组件，改变激光器出射的激光束的相干性，如通过振动匀光片、光导管、多模光纤和消偏振屏等手段；其二是在激光器源头上降低激光的相干性，如研制宽带激光光源、多波长混频、简并腔激光器等技术。

其中，通过光学机械结构的方法势必需要多种光学机械元件相配合，一般会增加系统的体积和复杂性。而若在光源上进行改进就要保证激光的基本输出功率、效率、以及它的体积和成本，才有可能满足实际生产应用场景。

目前，针对低散斑激光光源的研制主要在于以下几个途径：首先是改变激光束的光谱特性，也就是增加输出激光的光谱宽度，或者使用多个波长的激光进行合束；或者在时域和激光束空间模式上进行改进，以期产生适当的振幅波动或者更均匀的空间模式分布从而降低激光器的时间和空间相干性。然而，上述技术手段往往无法完全兼顾体积、成本、功率和能量转换效率。如目前商用化的宽带激光光源主要就是传统的半导体激光器，但也依旧需要额外的光学机械结构对散斑进行进一步抑制(Appl.Opt.55.6:1267-1274)；其它对于宽带激光的研究往往使用特殊的增益介质或者激光器结构(Appl.Phys.B 117:1117–1121)，成本和效率不够理想。而基于随机激光器和简并腔结构的激光器虽然能有效通过降低激光器的时间或者空间相干性来抑制激光散斑噪声，但同样也面临输出功率、能量转换效率、体积和成本等方面的限制(Opt.Lett.45:3816-3819)，离实用化尚有一定距离。

近年来，基于光反馈的各类激光器已被应用在通信、传感、以及各种实验性应用中。其中，通过合理设计光反馈结构已经能实现激光器的混沌输出，而混沌波形这种在时域上非规律的信号有益于抑制激光的散斑。另一方面，基于光栅外腔光反馈结构的半导体激光器已被用于生成窄线宽的可见光激光光源，且其具有结构简单，功率、效率高，成本低等特点故受到广泛的关注。所以，基于光栅外腔光反馈结构设计并实现一种低散斑对比度的激光光源势必在经济性和实用性上有独特的优势。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种降低激光源散斑对比度的装置及方法。

第一方面，本发明提供了一种降低激光源散斑对比度的装置，包括半导体激光器、第一透镜、衍射光栅、第二透镜、多模光纤和光导管。

所述半导体激光器的输出光通过第一透镜准直后入射至所述衍射光栅，所述的衍射光栅用于对激光的输出波长和模式进行周期性地调节，继而在光谱层面降低激光的散斑；

所述第二透镜用于对光栅衍射光束汇聚，汇聚后的光束入射至所述光导管。

第二方面，本发明提供了一种降低激光源散斑对比度的测试装置，包括前述的降低激光源散斑对比度的装置，还包括投影镜头、屏幕和相机；光导管的出射光经所述投影镜头投射在所述屏幕上；相机以模拟人眼进行散斑采样。

第三方面，本发明提供了一种降低激光源散斑对比度的方法，前述的降低激光源散斑对比度的装置，具体是：

对激光器的电流设置调制信号，使激光器输出光谱展宽；

对压电陶瓷施加周期性方波调制信号，从而带动衍射光栅实现角度变化，使出射激光束与光栅的衍射角在10.6°～10.8°之间周期性变化，实现多波长的振荡输出；

将第二透镜置于衍射光栅的1级衍射光的光路上，水平/竖直调节多模光纤入射段，使它的出射光斑为均匀的圆形光斑；

水平/竖直调整多模光纤出射端，使得从光导管出射的光束呈现X/Y轴对称分布的复数个六边形光斑图案；输出光路经过多模光纤及光导管的匀光将进一步降低散斑对比度。

本发明的有益效果：

第一、本发明通过振动调节外腔激光器的衍射光栅的方法即能对输出波长进行调制、对输出波长的频谱进行有效的展宽或实现多波长的振荡输出，继而在光谱层面降低激光的散斑；同时还配合对激光器施以周期性电流调制，进一步破坏激光反馈的稳定性，进而在时域上形成输出振幅的波动。

第二、本发明通过光栅振动快速调节反馈回激光器内部的激光模式，继而对反馈输出的激光模式在时域和空间上均进行调制，降低激光束的时间和空间相干性，进而对散斑对比度进行抑制。

第三、本发明所调制的光栅元件是外腔激光器自身的一部分，且实际应用案例的光路中往往也需要对激光束进行折返和准直，所以本发明并不会显著增加系统整体的体积；且一般多模的半导体激光器进行准直、折返之后也会产生10-20％的能量损失，实际获得功率与本发明相近。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1示出实施例1提供的一种降低激光源散斑对比度的装置和测试装置图；

图2示出未加消散斑装置的散斑图像；

图3示出在实施例1条件下的散斑图像。

具体实施方式

本发明提供一种降低激光散斑对比度的方法，主要基于一种机械和电调制下的基于光栅外腔光反馈结构的半导体激光光源，其中的光栅被施以一定频率和幅度的振动，继而对激光的输出波长和模式进行周期性的调节，对激光源的加载电流进行周期性调制，在保证基本的输出功率的同时在一定曝光时间内增加散斑多样性，降低了激光束的时间和空间相干性，以实现低散斑激光输出。

本申请实施例提供了一种降低激光源散斑对比度的装置，包括半导体激光器、第一透镜、衍射光栅、第二透镜、多模光纤和光导管。

所述半导体激光器的输出光通过第一透镜准直后入射至所述衍射光栅，所述的衍射光栅用于对激光的输出波长和模式进行周期性的调节，继而在光谱层面降低激光的散斑；

所述第二透镜用于对光栅衍射光束汇聚，汇聚后的光束入射至所述光导管。

进一步说，所述半导体激光器中心波长在400～700nm，包括蓝光、绿光GaN半导体激光器，红光InGaAs激光器；半导体激光器由激光驱动器控制和驱动。

所述的激光驱动器输出2000Hz频率的调制电流。

进一步说，所述准直透镜采用非球透镜以优化球差获得更好准直效果，焦距f＝5mm，镜面镀有AR膜，使得400～700nm波段反射率低于0.5％。

进一步说，所述衍射光栅光栅是一种反射式衍射光栅，包括反射式刻线光栅、反射式全息光栅。

在某一示例中，所述光栅刻线密度包括600～1800lines/mm，其闪耀波长位于所述激光器的中心波长附近。

进一步说，所述光栅与所述半导体激光器的出射光夹角满足公式2d·sinθ＝λ,其中d为光栅刻线密度，θ为光栅与出射光夹角，λ为衍射光中心波长。

在某一示例中，所述衍射光栅光栅通过定制夹具固定在压电陶瓷上；所述夹具在正面和背面分别设置有光栅和压电陶瓷的安装槽；所述压电陶瓷采用共烧叠堆压电陶瓷以带动光栅偏转，配合所述的定制夹具可给光栅带来0～28μm的位移。

更进一步，所述压电陶瓷连接信号发生器，所述的信号发生器对压电陶瓷施加50～100Hz，0～5Vpp的方波信号，对所述的压电陶瓷片的振动频率、偏转角度进行调制。

所述第二透镜对光栅衍射光束汇聚后入射进所述光导管；第二透镜为非球透镜，镜面镀有AR膜，焦距为18mm；

进一步说，所述光导管结构参数由下式确定，

在某一示例中，所述屏幕为一种非光滑的白色不透光平面，包括大多数投影屏幕、白墙、白色打印纸等。

在某一示例中，所述相机为黑白科研相机，包括CCD相机和CMOS相机，搭配镜头对屏幕上的散斑图像进行采样。

实施例一：

一种降低激光源散斑对比度的装置，如图1所示，包括半导体激光器1、半导体激光器驱动11、所述半导体激光器1一侧依次设置有准直透镜2、光栅3、夹具31、压电陶瓷32、信号发生器33、透镜4、多模光纤5、光导管6、投影镜头7、屏幕8和相机9。

在本实施例中，所述半导体激光器1中心波长为445nm；激光器驱动11输出电流1A，调制频率2000Hz，脉宽400000ns；

在本实施例中，所述准直透镜2为1/2英寸镀有AR膜的非球透镜，在中心波长450nm处反射率<0.25％，焦距为8mm，数值孔径NA＝0.5；准直透镜2对半导体激光器1出射光进行准直，经准直后的激光光斑直径约7mm；

在本实施例中，所述衍射光栅3为反射式刻线光栅，尺寸为12.7×12.7mm，刻线数为600/nm，闪耀波长为400nm；衍射光栅3与所述准直透镜2的距离为50mm，与半导体激光器1射出的激光束的夹角为10.6°；光栅3固定在夹具31正面，光栅面朝向所述半导体激光器1；压电陶瓷32固定于夹具31背面；压电陶瓷32是一种压电陶瓷叠堆，尺寸为4.5(W)×4.5(L)×20(H)mm；信号发生器33给所述压电陶瓷32施加调制信号；调制信号为80Hz、5Vpp、占空比50％的方波信号，用以周期性快速调制光栅3的角度，使激光输出波长发生变化；

在本实施例中，所述透镜4为1英寸非球透镜，镜面镀有AR膜，焦距为18mm，用以耦合输出激光进入所述多模光纤5；透镜4与所述多模光纤5的间距为18mm；多模光纤5芯径105μm，数值孔径为0.22，长度为100mm；多模光纤5的出射光进入光导管6进一步增强匀光效果，多模光纤5与所述光导管6的间距为2mm；

在本实施例中，所述光导管6为六边形状光导管，两平行边间距4mm，长度100mm，两端镀有400～1000nm AR膜；光导管6另一端出射光经所述投影镜头7投射在所述屏幕8上；投影镜头7为投射比1.2的镜头；相机9为黑白CMOS相机，搭配f＝50mm，F/16的镜头以模拟人眼进行散斑采样。

实施例二：

本实施例为实施例一的一种降低激光源散斑对比度的装置及测试装置的操作方法，其包括以下步骤：调节半导体激光器1与准直透镜2的间距，获得准直光的直径为7mm；对激光器的电流设置2000Hz、脉宽400000ns的调制信号，使激光器输出光谱展宽，信号发生器33对压电陶瓷32提供80Hz、5Vpp的周期性方波调制信号，压电陶瓷32在调制信号驱动下周期性地改变伸长量带动光栅3实现角度变化，使出射激光束与光栅的衍射角在10.6°～10.8°之间周期性变化，实现多波长的振荡输出；通过激光器的光谱展宽以及光栅角度变化实对激光器从时间和空间相干性上抑制激光散斑噪声。

光栅3与准直透镜2的距离为50mm；将透镜4置于光栅的1级衍射光的光路上，多模光纤5置于透镜4后18mm处，且水平/竖直调节多模光纤入射段使它的出射光斑为均匀的圆形光斑；将光导管放置于多模光纤出射端后1mm处，再水平/竖直调整多模光纤出射端，使得从光导管出射的光束呈现X/Y轴对称分布的复数个六边形光斑图案；输出光路经过多模光纤及光导管的匀光将进一步降低散斑对比度；将投影镜头7置于光导管6后10cm进行投影，屏幕8为距离投影镜头4m的投影幕布；相机9置于幕布前2m的位置，曝光时间设置为30ms，搭配镜头参数f＝50mm，F/16模拟人眼，对投影幕布上的六边形光斑图案进行散斑图像采样。