一种基于微透镜阵列的激光匀化整形系统

技术领域

本发明涉及半导体激光照明技术领域，具体涉及一种基于微透镜阵列的激光匀化整形系统。

背景技术

半导体激光器自诞生以来发展迅速，与其他类型激光器相比，具有体积小、成本低、效率高、寿命长等优点，长期以来在工业、军事、医疗等领域中有着广泛的应用。半导体激光器根据其结构，主要分为单管、线阵、叠阵。叠阵半导体由于体积小、能量输出功率能到千瓦以上，在许多领域应用广泛。然而受半导体激光器自身波导结构的限制，其输出光束光强分布不均匀，远场光斑分布为椭圆高斯型，即快慢轴光束质量均衡性较差，能量利用率不高。

为了满足不同应用场合激光照明的要求，须对激光光束进行不同要求的匀化、整形圆形或矩形和准直可变发散角处理。

目前实现激光匀化整形的技术方案主要有二元衍射镜片、非球面透镜组、激光匀化片、光纤波导和微透镜阵列等。

二元衍射镜片是通过掩膜加工技术在透镜表面进行刻蚀，得到一种台阶结构，这种透镜是纯相位的光学器件，具有很高的衍射效率，但是其设计方法复杂，需要选择合适的相位分布函数，如G-S算法、退火算法等，其台阶数越多要求刻蚀的精度越高，加工难度越大，因此设计周期和成本都难以控制。

非球面透镜组是利用多片非球面透镜来实现对横轴和纵轴的光束进行整形、匀化、准直处理，该方法的优点是结构简单、能量损失小，但一组非球面透镜只能针对特定能量分布的激光光束进行匀化，不具普适性，且加工难度大，成本高。激光匀化片对多模激光只能实现匀化目标，整形效果不理想。

光纤波导法利用光线的全反射原理将耦合进光纤的光多次反射，在光纤出射面得到能量分布均匀的光斑，但由于只能在焦点处来能实现激光整形和匀化，对光斑大小有一定限制。

微透镜阵列结构精密、通光量大，但匀化后的光束发散角较大。

单独使用上述某种方法均难以实现半导体激光光束的匀化、整形和准直效果。

因此，目前亟需一种新的具有激光整形、匀化及准直功能的系统来解决上述问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于微透镜阵列的激光匀化整形系统，能够采用微透镜阵列和非球面透镜组合对半导体激光光束进行匀化、整形和准直，达到了激光能量均匀目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种基于微透镜阵列的激光匀化整形系统，包括由前及后顺次共轴设置的第一柱面微透镜阵列、第二柱面微透镜阵列、第三柱面微透镜阵列、第一微透镜阵列、第二微透镜阵列、球面透镜以及非球面透镜。

激光光束先从前方进入，其中第一柱面微透镜阵列对激光光束进行光源慢轴方向的光线准直，第二柱面微透镜阵列和第三柱面微透镜阵列对激光光束进行光源快轴方向光线的扩束和准直；第一微透镜阵列与第二微透镜阵列、球面透镜、非球面透镜组合激光光束进行匀光和整形，从而输出激光匀化整形后的结果。

进一步地，还包括共轴设置的前套筒和后套筒，前套筒和后套筒可沿光轴移动。

前套筒中由前及后顺次设置有第一柱面微透镜阵列、第二柱面微透镜阵列、第三柱面微透镜阵列以及第一微透镜阵列。

后套筒中由前及后顺次设置有第二微透镜阵列、球面透镜以及非球面透镜。

进一步地，第一柱面微透镜阵列材料选用光学玻璃BK-7，其单元微柱透镜为凸透镜。

进一步地，柱面微透镜阵列材料选用光学玻璃BK-7，其单元微柱透镜为凹透镜，阵列方向与柱面微透镜阵列垂直。

进一步地，柱面微透镜阵列材料选用光学玻璃BK-7，其单元微柱透镜为凸透镜，阵列方向与柱面微透镜阵列垂直。

进一步地，第一微透镜阵列材料选用光学玻璃BK-7，其单元微透镜形状为圆形或矩形，单元微透镜为凸透镜。

第二微透镜阵列所有参数与第一微透镜阵列一致，方向也一致。

进一步地，球面透镜材料选用光学玻璃S-LAH64，该透镜为凸透镜。

进一步地，非球面透镜材料选用光学玻璃BK-7。

进一步地，非球面透镜后方设置探测器，激光匀化整形后的结果投射在探测器上形成光斑；通过调节第一套筒和第二套筒之间的距离，以改变光斑的大小。

有益效果：

本发明工作过程中，采用柱面微透镜阵列对半导体叠阵光源输出光束做准直处理，采用微透镜阵列和球面透镜对不均匀的光束做匀化和整形处理，采用非球面透镜对激光光束做准直处理，通过沿光轴方向移动两片微透镜阵列的相对位置来控制远场光斑的大小，使激光光束满足不同应用场合的需求，如在激光主动成像应用中，可实现对不同距离、不同大小目标成像时照明光斑能充满整个视场且亮度均匀。利用两片微透镜阵列和球面透镜即实现匀光、整形和变焦三种功能，得到一定形状、能量分布均匀且发散角连续可调的照明光斑，照明光斑形状与微透镜阵列单元形状相同，变焦简单，易于实现及操作。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为实施例1的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的原理是：采用两片相互垂直的柱面微透镜阵列对半导体叠阵激光器输出的非均匀光束进行快慢轴准直，采用一片柱面微透镜阵列对半导体叠阵激光器输出光束的快轴方向扩束，采用两片相同的微透镜阵列和一片球面透镜对准直后的光束做匀化、整形处理，采用一片非球面透镜对匀化和整形后的光束做准直处理。当改变两片微透镜阵列的间距时，可实现系统变焦功能，即可实现照明激光的发散角连续可调。最终实现激光能量均匀、具有一定形状圆形或矩形等、发散角连续可调，以满足不同应用场合激光照明的需求。

本发明提供了一种基于微透镜阵列的激光匀化整形系统，其特征是：包括柱面微透镜阵列1、柱面微透镜阵列2、柱面微透镜阵列3、微透镜阵列4、微透镜阵列5、球面透镜6、非球面透镜7、套筒8、套筒9。

一种基于微透镜阵列的激光匀化整形系统，由三片柱面微透镜阵列、两片微透镜阵列、一片球面镜和一片非球面镜组成。激光光束先从三片柱面微透镜阵列进入，第一片柱面微透镜阵列实现对光源慢轴方向的光线准直，第二片、第三片柱面微透镜阵列实现对光源快轴方向光线的扩束和准直。两片微透镜阵列和球面透镜组成的匀光整形系统实现对不均匀光束的匀光和整形，在球面透镜的焦平面上得到均匀的光斑。使用一片非球面透镜实现对匀化和整形后的光束准直，在远场得到照明良好的光斑。通过调整两片微透镜阵列的相对位置可实现发散角变化的功能，改变远场照明光斑的大小。

柱面微透镜阵列1材料选用光学玻璃BK-7，其单元微柱透镜为凸透镜，实现对半导体叠阵激光器慢轴方向光束的准直。

柱面微透镜阵列2材料选用光学玻璃BK-7，其单元微柱透镜为凹透镜，阵列方向与柱面微透镜阵列1垂直，位于柱面微透镜阵列1之后，与柱面微透镜阵列1距离固定，其距离由光源参数确定，实现对半导体叠阵激光器快轴方向光束的扩束。

柱面微透镜阵列3材料选用光学玻璃BK-7，其单元微柱透镜为凸透镜，阵列方向与柱面微透镜阵列1垂直，位于柱面微透镜阵列2之后，与柱面微透镜阵列2距离固定，其距离由光源参数确定，实现对半导体叠阵激光器快轴方向光束的准直。

微透镜阵列4、微透镜阵列5和球面透镜6共同实现对非均匀激光光束的匀化和整形处理。

微透镜阵列4材料选用光学玻璃BK-7，单元微透镜形状可为圆形或矩形等，可依据应用需求确定其形状，单元微透镜为凸透镜，位于柱面微透镜阵列3之后，与柱面微透镜阵列3距离固定，实现对非均匀激光光束的微分处理和整形处理。

微透镜阵列5所有参数与微透镜阵列4一致，方向也一致，位于微透镜阵列4之后，与微透镜阵列4距离可调，实现对非均匀激光光束的微分和整形处理。

球面透镜6材料选用光学玻璃S-LAH64，该透镜为凸透镜，位于微透镜阵列5之后，与微透镜阵列5距离固定，其距离由微透镜阵列5和球面透镜6的参数确定，实现对整形光束的积分匀化处理。

非球面透镜7材料选用光学玻璃BK-7，位于球面透镜6之后，与球面透镜 6距离固定，其距离由球面透镜6和非球面透镜7的参数确定，实现对匀化整形后的光束的准直处理。该组件不需自行设计，可依据准直需求选用已有产品，如Thorlabs非球面透镜系列，避免非球面的复杂加工工艺过程。

套筒8将柱面微透镜阵列1、柱面微透镜阵列2、柱面微透镜阵列3、微透镜阵列4固定，使其相对位置不变。

套筒9将微透镜阵列5、球面透镜6、非球面透镜7固定，使其相对位置不变。

通过使微透镜阵列4和微透镜阵列5的距离变化即两个套筒之间的距离沿光轴方向变化，可实现照明光束的发散角连续变化，改变远场照明光斑的大小。

实施例1：

系统结构参见图2。本实例应用于激光主动成像照明，由半导体多行bar条激光器、3片柱面微透镜阵列、2片微透镜阵列、1片球面透镜、1片非球面透镜和套筒组成，非球面透镜选用Thorlabs公司AL2550-B。最终输出激光的发散角可在8-32mrad连续变化，光斑形状为宽高比为4:3的矩形。

上述系统器件的参数如表1所示：

表1

上述系统中，通过调节2片微透镜阵列的相对位置达到发散角连续变化的作用，当微透镜阵列4与微透镜阵列5之间距离为9mm-3mm变化时，出射激光发散角在8-32mrad之间连续变化。

在远场300m处设置一探测器，接收激光光斑。未采用微透镜阵列仅使用非球面透镜的照明装置，视场内光斑亮度均匀性较差。本发明于远场300m处得到的激光光斑，光斑为4：3矩形形状，填充了整个视场，且亮度均匀。因此实例 1提供了较好的照明条件，能够使激光主动成像系统具有良好的成像效果。

针对半导体激光光束整形、匀化、准直的光学系统，涉及利用微透镜阵列和非球面透镜组合对半导体激光光束进行整形、匀化和准直的装置，本发明对于半导体激光器在照明、医学手术等领域的应用均具有重要意义和应用价值。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。