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如何选择用于激光高斯光匀化成平顶光的微透镜阵列

作者: 时间:2021-10-27

高斯光匀化微透镜阵列区别于传统光学元件的结构,使之具有诸多优异的效果功能。微透镜阵列常见的应用有:激光匀化,高斯光整形,高斯光匀化,波前探测,光纤耦合,激光切割等。而这中,激光匀化,高斯光整形,高斯光匀化是最为常见的。因为,无论是用于激光加工,还是照明领域,光纤耦合,高斯光匀化都可以大大的提高效果和过程的可控性。然而市面上微透镜阵列品类繁多,参数复杂,厂家各异。那么该如何基于自己的激光匀化要求,挑选合适的微透镜阵列呢?本文就双阵列的匀化方案,如果选择用于高斯光匀化整形的微透镜阵列做了简要介绍。

双微透镜激光匀化的高斯光整形方案光路图如下:

LA1、LA2FLFP从左而右分别是微透镜阵列1、微透镜阵列2、聚焦镜和成像焦面。从上图可见,微透镜阵列的结构为平凸结构,平面相对,凸面即带有微透镜的结构对外。入射待匀化整形的高斯激光从左边经准直后入射到微透镜阵列。两片高斯光匀化微透镜阵列的子单元口径最好一直,接近也可以。微透镜阵列之间的间隔越等与微透镜阵列1的焦距,一般是略大于。微透镜阵列与聚焦镜FL的距离会略微影响出匀化光斑的发散角,但是影响不大,一般选型计算时忽略不计。实际操作中可调整这个距离以微调微透镜阵列的效果和大小。最末端即为微透镜阵列高斯光匀化的效果端面。

微透镜激光匀化光斑大小关系如下式所示:(pLA为透镜阵列的子单元口径大小)

DFT=pLA·fFL·(fLA1+fLA2-a12/(fLA1·fLA2)

在上光路所示的条件下,a12=fLA2,上式可以化简如下:

DFT= pLA·fFL/ fLA2

       所以,依据公式可以较为简答的得出需要的微透镜阵列参数范围和目标方向。假定,需要的匀化要求是:在300mm出形成10*10mm的方形光斑。那么便有:DFT=10mmfFL=300mm,带入公式,可计算得出微透镜阵列的口径与焦距的比值:pLA/fLA2=0.03333。如果是矩形,则计算长短边分别计算一次。

       理论上,微透镜口径越小,匀化效果越好。但是太小的口径,会有衍射干扰,硬性最终匀化效果反而没有那么好。所以,一般建议选型的时候,口径可以稍微放大一些。微透镜的口径需求确定了,边可以对应这pLA/fLA2=0.03333计算出对应的焦距应该是多少,也边可以得到可以接受的微透镜参数范围。

在光路中,微透镜末端的聚焦镜主要的作用是提高匀化效果,调整高斯光匀化的位置和尺寸大小,并非必要的。如果需要的光斑在远处或者尺寸较大,可以撤去。

需要注意的是,因为选用的是周期性微透镜阵列,所以对光源本身有一定要求。如果是M2较小,相干性高的光源,微透镜阵列的高斯光整形匀化效果反而没那么好。这种光源,推荐使用衍射性的整形匀化元件,可以达到很高的匀化性。当然,也可以先将光通过散射片,在入射到微透镜阵列匀化镜组,但是效果性价比不高,一般情况不推荐。

双片微透镜阵列的使用过程中,特别需要主要的是两片阵列的中心对齐。这个可以通过旋转镜片,微小移动进行调节。因于微透镜阵列面积精度和光源质量的原因,匀化光斑会带有一定的散斑,这个是正常现象。由于散斑较弱,一般不影响最终使用。而消除散斑对精度要求比较高,花费较大,性价不高。这是微透镜阵列整形的常见现象,无论是国内外的产品均如此。

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