激光分束,自由曲面分束器能媲美相位光栅吗?

封面文章| 《光学学报》第17期封面故事:司佳;冯泽心;程德文;王涌天;实现给定能量比离散光斑阵列的自由曲面分束器[J]. 光学学报,2020,40(17):1722004.

微信阅读:

如何用一台激光器在更短的时间内将钢板切割成更多的部分,或是在更短的时间内在一块钢板上打出更多按一定规则排列的小孔?

激光分束器可以胜任这个工作。激光分束器是将输入光束分为一维或二维光束阵列的光学元件,在激光雷达、激光加工、激光通信等领域实现并行处理,极大的提高应用效率。

目前常用的激光分束器都是基于物理光学原理设计的,这些衍射光学元件(Diffractive optical elements, DOEs)可以通过将能量注入指定衍射阶次实现分束功能,但它们难以兼顾高衍射效率和低加工制造成本两个因素。

其中二元相位光栅受其自身量化结构的限制,无法将能量完全注入所需阶次,从而造成较高的能量损失;连续相位光栅可以提供较高的衍射效率,却只有少数公司可以生产高精度高质量的连续表面轮廓光栅。

北京理工大学王涌天教授团队、程德文教授课题组的研究生司佳及冯泽心特别副研究员等人探索了如何使用自由曲面透镜来生成具有特定排列方式、光束轮廓和能量比例的离散光斑阵列。

与传统的球面、非球面和柱面等传统光学表面不同,自由曲面打破了旋转和平移对称性,可以提供足够的自由度以实现对光线的更精确控制。而随着金刚石超精密车削加工以及模压、注塑技术的快速发展,自由曲面光学元件的批量加工成本可以控制在较低的范围。另外,与DOE相比,自由曲面光学元件往往具有更高的光能利用率。

实现激光任意分束的光学自由曲面构建在数学上是一个很复杂的反问题,目前尚缺乏严格的数学模型。多参数优化法是当前唯一应用于自由曲面分束器的构建方法,但该方法需要多次仿真,运行速度慢,特别是应用于产生具有定制光束轮廓的任意比例光斑图案时效率会很低。

基于LED照明及光刻中的自由曲面构建理论,该课题组发展了一种针对激光分束的两层能量映射构建算法,大大降低了问题求解复杂度、提升了求解效率。

如图1所示,在第一层,为了实现目标面上不连续的辐照度分布,首先根据能量守恒将入射光束划分为一系列与光斑阵列对应的子区域,并明确这些子区域的边界。


图1. 自由曲面分束器设计示意图

第二层主要构建每个子区域的自由曲面片。具体策略是采用分离变量法计算每个子区域与相应光斑之间的光线映射关系之后,用最小化表面误差的最小二乘法来构造遵循该映射关系的连续且光滑的子曲面,将所有的子曲面依序拼接得到具有分束功能的自由曲面整体。可以通过调整每个子曲面的初值点使得任意两个相邻子曲面之间具有较小的矢高差。

该方法的优点在于简洁、灵活、高效,不但可以实现传统的激光分束,如将高斯光束转化为5×5 的等能量高斯光斑阵列(图2所示),也可以产生不均匀能量比例的矩形平顶光斑阵列(图3所示)。

如果入射光束是未准直的,可以将透镜入射面由平面替换为二次曲面或自由曲面达到对入射光束的准直作用。因输出辐照度的离散特性及本方法的固有限制带来的出射表面不连续性,将给加工带来一定的困难,但目前的自由曲面加工水平已经足以应对此类非连续表面。


图2. 自由曲面分束器将高斯光束转化为5×5 的等能量高斯光斑阵列: (a)透镜模型及光线追迹示意图;(b)仿真照度分布。(采用LightTools 8.6进行仿真)


图3. 自由曲面分束器将高斯光束转化为5×5 的等能量高斯光斑阵列: (a)透镜模型及光线追迹示意图;(b)光斑能量分配比例;(c)仿真照度分布。(采用LightTools 8.6进行仿真)

物理光学仿真表明,衍射会会降低分束光斑的光学性能。另外,相邻子曲面间的表面矢高突变仍然不利于提高加工效率和降低加工成本,而且会增加透镜易损性。该课题组接下来的工作将集中于设计具有连续表面的分束透镜,以及探寻可以减弱衍射效应影响的分束方案。

热点阅读: