非均匀光斑导致相变镜镜面偏转的研究

针对高功率激光器中非均匀光斑热致变形导致光轴偏转的问题,提出用相变致冷镜作为腔镜来减小镜面变形峰谷值和角向偏转,在2kW连续二氧化碳激光器上进行了热变形和光束漂移实验。实验表明,与普通实心硅镜相比,相变致冷镜镜面温度分布更均匀,可有效地减小镜面偏转角和光斑中心漂移,提高远场光束质量。

长方形均匀光斑菲涅尔聚光镜的设计

基于共轴聚焦设计提出了分区域聚焦法和修正分区域聚焦法。基于分区域聚焦法设计了50mm×100mm的长方形菲涅尔聚光镜。针对两组不同阵列尺寸的接收器,分析菲涅尔聚光镜的环带宽度分别为1、0.5、0.2mm时的聚光效果。结果表明随环带宽度的减小,光斑分布的均匀性逐渐增大,证明采用修正分区域聚焦法设计的菲涅尔聚光镜可以在保证聚光效率基本不变的同时,进一步提高聚光光斑分布的均匀性。

基于PSD的非均匀激光光斑中心定位研究

激光光斑中心定位是光学检测中的关键技术,大量应用在光学通信ATP系统、光路自准直控制系统、光学非接触位移角度测量系统中。针对传统电荷耦合器件(CCD)检测方法无法精准定位非均匀、非理想圆激光光斑的问题,提出一种基于位置敏感探测器(PSD)的旋转激光光斑中心检测的新方法。该方法依据PSD能够连续检测光敏面上光斑重心位置的工作原理,设计了一种定轴心旋转且角度可控的激光实验装置,通过对该装置投射到光敏面上的光斑重心的轨迹探测,经Kasa算法处理后得到光斑的中心位置,相较于CCD无需进行图像处理。实验中搭建了PSD光斑中心检测系统,并对旋转的激光光斑模式进行了分析。结果表明,激光光斑中心定位模型的线性度为-1.036、位置分辨率为0.1μm,精确定位了光斑中心的移动轨迹。该方法为非均匀光斑的实时高精度定位提供了一种新思路。

光斑均匀化在声光偏转相干探测系统的应用研究

针对声光偏转效应相干探测系统信号光斑随射频信号变化的偏移特性,利用光斑重叠物理模型,研究光斑结构与混频效率的关系,分析光轴偏移、探测器有效光敏面半径以及本振光能量匹配等因素对相干光探测效率的影响。计算机仿真和实验测试验证表明,以能量分布均匀光斑作为本振光斑,有利于在一定范围内漂移的信号光与参考光重叠相干混频效率改善,当信号光偏移量±0.5 mm内,重叠效率下降不到5%,通过光斑结构及能量分布的研究,为后续实际应用提供参考依据。

白光LED光斑均匀性的改进

用于照明领域的白光LED,其出射光斑的色度均匀性对于产品性能有着更加重要的意义。介绍了目前工业上制作白光LED主要采用的荧光粉灌封点胶工艺。并在目前主流灌封点胶工艺的基础上通过改善荧光粉层结构形状,以提高白光LED器件的出射光斑均匀性。并通过九点法对不同工艺结构下LED出射光斑的空间色度分布进行了测量和分析。通过分析,虽然采用不同的粉层结构,能够一定程度上改善白光光斑的色度均匀性。但总体上,采用这种传统的点胶工艺制作的器件的白光光斑性能不好,现有的荧光粉层灌封点胶工艺存在很大的弊端。荧光粉层的可控性是影响色度均匀性(即光斑均匀性)的主要因素,包括单个器件内的光斑和器件之间的颜色一致性都不理想。

大功率半导体激光器光斑整形和均匀化处理

针对光学透镜整形中光斑均匀性差的问题,设计了双路和多路激光照明装置,并进行了试验验证.从实验效果来看,采用多路激光输出整形方式,其光斑形状均匀性好、成本低、寿命长,效果更好.

聚光光斑的均匀性对硅太阳电池性能影响的理论研究

该文通过建立温度与效率模型,分析得出影响聚光硅太阳电池性能的3个要素:聚光比、光斑非均匀程度和电池温度(电池冷却系统换热强度)。在非均匀的聚光光伏系统中,硅电池的电流几乎不受光斑非均匀程度和电池冷却效果的影响,即电池电流与温度场无关而只与聚光比有关。硅电池的电压和效率随光斑非均匀程度的增加先略有上升而后小幅下降。在光斑非均匀比1.3附近,电池电压和效率同时出现最大值。这个出现峰值的最佳非均匀比很可能与聚光光斑分布和电池冷却效果有关,但与聚光比无关。当光斑非均匀程度一定时,硅电池电流随聚光比的增加线性提高;电压和效率随着聚光比的增加呈现先上升后下降的趋势,且随着冷却效果的加强,波峰略有后移。

高光斑均匀度7×1光纤合束蓝光半导体激光器的研究

研究分析了高光斑均匀度7×1光纤合束的447nm蓝光半导体激光器。采用非球面透镜将每个输出功率为3.8W的蓝光半导体激光器,耦合进纤芯直径为200μm,数值孔径为0.22的7×1光纤合束器的光纤输入端,光纤耦合效率85%。7×1光纤合束器的输出光纤是直径400μm数值孔径0.46的多模光纤,光纤合束器对447nm蓝光半导体激光的传输效率为99%。测试结果表明采用7×1光纤合束器实现了22.4W蓝光激光输出,1个小时内RMS功率不稳定性为±0.13%,利用微透镜阵列将蓝光激光的光斑均匀度从56%提高到82%。为激光显示和高精度3D打印提供了理想的光源。

一种改善光斑均匀性的舞台照明系统

为了实现舞台灯光学系统中光斑的均匀性,本文提出一种基于复眼微透镜的设计方案。利用实践应用和LightTools软件对该照明系统方案的效果进行建模仿真,分析复眼透镜组的间距和后工作距离等参数对光学系统的光斑面积、照度和均匀性的影响。结果表明,复眼微透镜后工作距离越大,得到的光斑面积越大,越均匀,而光斑面积中最大照度越低;从而解决了现有气泡灯的舞台灯光照明系统中光斑中心照度高而光斑均匀性的矛盾,即后工作距离在灯泡焦距f的(0.3～0.4)倍时,光强照度和光斑均匀性将达到一个均衡的效果,提高了照明光斑均匀性和能量的利用率。

适用于扩展光源且具有阵列编辑性的透镜组设计

利用自由曲面设计并结合斯涅耳定律以及能量守恒定律,设计出一款能实现大面积均匀光斑的透镜组。该透镜组由一块次透镜和一块主透镜组成,其中次透镜对LED发光角进行收缩来减小透镜组结构,而主透镜对能量进行调控来实现均匀度调节。通过蒙特卡洛光线追迹模拟仿真,单个透镜组在接收面呈现方形均匀光斑,有效辐射通量比达到95.5%,均匀度达到95.7%,表明该透镜组具有良好的有效辐射通量比和均匀度;而透镜组阵列在接收面同样呈现方形均匀光斑,有效光通量比和均匀度均大于95%,表明透镜组阵列能够耦合多颗LED面阵列扩展光源,实现更高光功率的均匀光斑,可以用于基于荧光反向测量装置中大功率光源等应用场景。

供电461 W激光无线传能系统研制

为了满足特定场景下激光无线传能的大功率应用需求,提升系统接收效率,研制了一套方形均匀光斑照明、高接收占空比的大功率激光无线传能系统。发射端采用两台高功率808 nm半导体激光器,实现1700 W激光输出并耦合进入方芯光纤,利用方芯光纤对激光进行匀化,在其输出端面形成均匀光斑,设计了投影光学系统将方芯光纤出射端面放大并照射在形状匹配的420 mm×420 mm光电池板上;接收端将1020片GaAs光电池分别与聚焦透镜集成封装以提升光敏面占空比。经试验测试,当入射激光功率1700 W时,电子负载端接收电功率461 W,接收端整体光电转换效率27.1%。结果表明:该激光无线传能系统为特定环境下大功率负载无线供电提供了解决方案。

基于自由曲面的聚焦型太阳模拟器设计

聚焦型太阳模拟器可以获得高倍汇聚的太阳辐射光斑,在太阳能热发电及热化学研究领域具有重要应用。为了获得均匀的太阳辐射光斑,提出了基于非成像光学的自由曲面聚光镜设计方法。详细阐述了设计原理与具体方法。设计了自由曲面聚光镜,并将其与包容角相同的非共轴椭球聚光镜进行对比。通过仿真分析验证了设计方法的正确性。仿真结果表明:使用额定功率为6 kW的氙灯作为光源时,自由曲面聚光镜构成的单灯太阳模拟器可以在直径为60 mm的目标面内提供平均辐照度为274.4 kW/m^(2)的光斑,与非共轴椭球太阳模拟器相比,光斑不均匀度从18.28%下降到5.69%;七灯太阳模拟器可以产生平均辐照度为1.65 MW/m^(2)的光斑,光斑不均匀度从13.19%下降到5.79%。

微透镜阵列误差对半导体激光匀化性能的影响

为了减小微透镜阵列误差对匀化光斑的影响,深入研究微透镜阵列光束匀化系统中微透镜阵列相对位置误差对光束匀化性能的影响,设计了一种微透镜阵列光束匀化系统。依据相对位置误差类型的不同,将双列微透镜阵列间六个自由度变化导致的误差分为距离误差、偏移误差以及转动误差进行分析,并对每种误差对光束匀化性能的影响进行了研究。采用6板条半导体激光器堆栈对上述匀化系统进行实验验证,实现了均匀性为90.75%的光斑,并对系统影响光斑性能的原因进行了分析。

图像处理在双波长激光诱导熔石英损伤增长中的应用

利用图像处理方法对比研究了单波长辐照和双波长激光同时辐照下熔石英光学元件的损伤增长阈值。通过实时采集损伤图像和靶面光斑能量空间分布,获取损伤增长发生位置对应的能量密度。针对3ω单独辐照、3ω和1ω同时辐照下熔石英元件损伤增长的实验数据,比较分析了基于图像处理方法和传统损伤增长阈值R-on-1测量方法(国标)所得结果的差异。结果表明:本文采用的图像处理方法在研究小口径非均匀光斑辐照下的熔石英光学元件损伤增长阈值时,能解决传统损伤阈值测试中将能量密度分布非均匀光斑等效为均匀分布的平顶光斑带来的计算误差问题,有助于降低损伤(增长)阈值测量中的光斑口径效应。

激光冲击“残余应力洞”的参数敏感性分析及其抑制方法

为研究激光冲击材料表面的"残余应力洞"现象,利用ABAQUS有限元软件,数值模拟了圆形高斯光斑的激光冲击强化。阐述了激光冲击"残余应力洞"的残余应力分布特点,讨论了不同激光冲击参数对"残余应力洞"的影响规律。提出增大光斑搭接率和利用光学透镜二元光学衍射方法形成能量均匀方光斑等2种抑制方法,并对其抑制效果进行对比分析。结果表明:冲击波峰值压力、冲击波持续时间的增加会加剧"残余应力洞",而光斑大小和冲击波上升时间的增大则效果相反;二元光学衍射方法相比增大光斑搭接率,表面残余压应力数值虽发生一定程度地降低,但残余应力场分布具有更好的均匀性,且在实际构件强化处理中具有低搭接率的工艺优势。

基于双柱透镜慢轴准直激光二极管堆栈光束匀化系统

为实现高功率激光二极管堆栈光束的匀化与整形,提出基于双柱透镜慢轴准直的匀化系统。利用双柱透镜实现对高填充因子激光二极管慢轴方向光束发散角度的压缩,降低成像型多孔径光束积分器中微透镜的数值孔径,减小匀化系统体积。通过三个限定条件确定了双柱透镜参数取值范围,并通过像差分析对双柱透镜进行了优化,实现慢轴方向光束剩余发散角度1.74°。结合成像型多孔径光束积分器,设计了激光二极管堆栈的匀化系统,并进行了实验测试。实验结果表明,在中心光斑尺寸约为6mm×6mm范围内,光斑不均匀性为8.11%。

基于声光效应的同源共束相干探测方法研究

以声光衍射为基础,提出一种基于声光效应的同源共束相干探测方法,对衍射光束特性及应用于相干光探测系统进行描述,分析了高斯光斑和平顶光斑实现相干探测的特征,给出系统实现的条件和依据,得出光斑均匀化与两束光斑的共轴位置关系,验证了这种方法的实现基础,实验测试表明声光互作用与相干探测技术结合在通信探测系统应用中具有一定优势,采用均匀化光斑可提高相干光探测的效果,接收性能可靠。

用于光刻的小型KrF准分子激光器及光学系统

本文报道了用于半导体光刻的一体化小型KrF准分子激光器及光学系统的性能。获得了16mm×40mm的均匀光斑，光强分布不均匀性＜±5％光密度～1mJ／cm2。最后讨论了改善微区均匀性的方法。

能量映射式菲涅耳聚光系统的设计

为了提高光伏发电的光电转换效率及降低光伏发电成本,利用非成像光学原理提出了一种新的设计方法:能量映射式设计方法。设计并验证了能量映射式菲涅耳光伏聚光系统。菲涅耳光伏聚光系统的口径D=226mm;聚光比为400;聚光系统高宽比为0.8。利用三维软件建模并利用TracePro仿真分析得出:能量映射式菲涅耳光伏聚光系统的聚光效率为90.35%,光斑均匀性84.17%,提高了接收面上的照度分布均匀性,因此提高了光伏电池的光电转换效率。

一种具有大通光孔的碟片多程泵浦结构

提出了一种基于4-f成像的新型碟片多程泵浦方案。该方案由一片大抛物镜和两组转折棱镜组成多程泵浦的基本传输结构。这种方案拥有0~90°的理论通光孔径角,比目前常见的泵浦结构方案的通光孔径角范围都更宽。在该方案中,碟片上的泵浦光斑具有良好的重合性和锐利的边缘。该泵浦结构在注入344 W、18次泵浦的条件下实现了141 W的多模激光输出,光-光转换效率达到41%,斜率效率接近50%。