椭圆口径双曲轮廓的微透镜阵列元件用于激光准直研究（可编辑）

椭圆口径双曲轮廓的微透镜阵列元件用于激光准直研究（可编辑） 椭圆口径双曲轮廓的微透镜阵列元件用于激光准直研 究 华南师范大学硕士论文 摘要 摘 要 半导体激光器具有体积小、重量轻、功耗低和可直接调制等优点,在激光雷 达、激光通信、激光泵浦、激光扫描、激光测距等方面得到了非常广泛的应用。 由于半导体激光器的结构特点,使得它发出的光束在垂直于结平面方向上远场发 散角和平行于结平面方向的远场发散角相差较大在垂直和平行于结平面方向上 的发散角大小分别在。左右和。左右。所以在几乎所有要求较高的应用领域 中,半导体激光器的输出光束都必须通过特殊的光学系统进行准直。对于这种有 很大发散角的准直,是个很棘手的难 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,采用传统光学手段很难完成。在这里, 我们设计、制作并测试了一种由折射器件组成的微光学元件来完 成这个目标,有 利于整个系统的微小化和集成化。 本文的主要内容如下: 、介绍了半导体激光器的特性,微透镜的制作和应用,回顾总结了传统准直方 法,给出准直设计所面临的困难,相应的提出微透镜准直方法。 、阐述了准直微透镜阵列设计的相关原理。针对基于几何光学的矩阵光学和高 斯光束传输特性的研究,为微透镜的设计作出了理论准备。同时,介绍了折射微 透镜阵列的制作方法。 、运用相关理论,设计了单片式微透镜组成的准直系统,提出了使用椭圆口径 双曲轮廓的微透镜阵列准直的可能性,并设计了相关的透镜参数。 、采用微压印技术制作微透镜阵列,重点研究了感光材料制作微透镜的 方法,并制备了椭圆口径双曲轮廓的微透镜阵列元件。 、对所制备的椭圆口径双曲轮廓的微透镜阵列元件用于激光准直的效果进行了 测量。 、对全文进行了总结,并对未来的工作进行了展望。 关键词:微透镜阵列;半导体激光器;准直;华南师范大学硕士论 文 , , , , , . , , 。 , . .,, . . , , , ? . . 、, , .、 ,. ,. 、 ,? .、 , ?.、 ,. . 、 ,: ; ;; 范大学硕士论文 目录 目录 章绪论 .半导体激光器的发展.半导体激光器的应用.半导体激光器光束 的传统整形方法? .微光学的整形方法??. .本论文研究目的及主要内容??.. 章基本理论及微透镜阵列简介?... .半导体激光器的输出光束. ..半导体激光器输出光束的远场发散角?. ..半导体激光器输出光束的像散. .矩阵光学原理.. .高斯光束??. .高斯光束的成像变换?.. .微透镜与微透镜阵列?.. .折射微透镜阵列的制作? ..平面工艺离子交换法 ..光敏玻璃法??.. ..熔融光刻胶法..反应离子束刻蚀法.. ..光刻热熔加离子束刻蚀法?.. ..电铸制模与注模复制 ..溶胶凝胶. .微透镜准直?. 第三章准直微透镜阵列的设计??.?..?..... .透镜设计.微透镜的制作参数设计? ..球冠微透镜的热熔 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 ??. ..椭圆口径微透镜的热熔公式? .折射微透镜设计结果?.. 第四章准直微透镜的制作?.....?.?..??. . 介绍.. 的优点..?.. ..表面化学特征.. 材料的不足之处??.. .微压印技术制作微透镜阵列??.. ..准备玻璃基板..涂胶、前烘??.. ..曝光?..华南师范大学硕士论文 目录 ..显影?.. ..光刻胶倒悬热熔成形 .. 印章 .. 材料的合成 ..微透镜成形??.. .微透镜的形貌分析??. 第五章准直效果的测量与分析.??.... .激光远场发散角的测量方法??.. .利用测量激光远场发散角的原理 .. 图像传感器特点及分类? .. 的基本工作原理 ..面阵图像采集系统工作原理??.. .激光束远场发散角的测量. ..出射激光束远场发散角的测量装置..实验图形和实验数据 第六章总结??...??.. 参考文献.. 硕士期间参与的科研项目和完成的工作?.??.?..致谢??.??.. 华南师范大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 .半导体激光器的发展 激光作为二十世纪的重大发明具有无穷的魅力,成为推动当代高 新技术发展 的动力。它的应用已经渗透到众多的领域,如材料加工,医学和生 命科学,检测 和军事等领域,并且发挥着非常重要的作用。其中,半导体激光器作为一种重要 的激光器件,它的许多优点使其得到日益广泛的应用。 半导体激光器是以半导体材料为光增益介质的激光器,其核心是一个具有光 反馈结构的结二极管,因此也称为激光二极管。电流注入到.结内 的光增益介质会产生受激辐射并建立稳定的光振荡。光增益介质一般为直接带隙 半导体,适当选择半导体的带隙,就可得到不同波长的激光。 年,三个研究小组发表了 结激光器成功的受激发射【。】。这种 激光器是同质结器件,利用.结有源层内注入的电子.空穴复合提供光增益, 并利用与结平面垂直的两个平行解理面构成的谐振腔提供光反馈。很快,出现了 其它直接带隙半导体如,,和等结构,得到了不同波长激 光的半导体器件。 年美国的‰【】和前苏联的等人提出利用不同带隙材料 构成的半导体器件,称为异质结激光器。异质结构按照其有源区两侧包层材料的 相同和不同又分为单异质结和双异质结。双异质结的发现,使半 导体激光器的性 能得到显著改善【】。双异质结的优点主要在于通过构成波导,更有效地限制激光 模式,减少了有源区的侧向尺寸,使有源层产生的热量能够更迅速的散失。 年研制成功的量子阱【】激光器是半导体激光器发展历史上的一个里程 碑。这种激光器降低了闭值电流密度,并能获得更窄的线宽,它的发展加快了半 导体激光器的实用步伐。 现在为了获得线宽更窄,波长可调协等高性能的器件,又发展出分布反馈式 激光器和分布式布拉格激光器【。随着对半导体激光器功率要求的提高,又出现 了半导体阵列、激光棒和堆栈等阵列结构【。近年来,垂直腔面发射激光器的 发展也很迅速。第一章绪论 华南师范大学硕士论文 我国的研究工作起步并不晚,国内的中科院长春光机所、长春理工大学、 中科院半导体所、信息产业部所和所等单位在国家一些项目的资助下,开 展了大功率的研制工作,取得了瞩目的成绩。但相比于国外,国内生产的高 功率的主要缺点是寿命短一般万小时、在面阵的制作上对准工艺较差 等。 .半导体激光器的应用 半导体激光器在精密机械零件的激光加工方面有重要应用,同时也成为固体 激光器最理想的、高效率的泵浦光源。由于它的高效率、高可靠性和小型化的优 点,推动了固体激光器的不断更新。 在印刷业和医学领域,高功率半导体激光器也有广泛的应用。另外,如长波 长半导体激光器用于光通信,短波长半导体激光器用于光盘读出【?。自从 实现了/蓝光激光器,可见光半导体激光器在光盘系统中得 到了广泛应用,如播放器、系统和高密度光存储器。可见光面发射激 光器在光盘、打印机、显示器中都有很重要的应用,特别是红光、绿光和蓝光面 发射激光器的应用更广泛。蓝绿光半导体激光器用于水下通信、激光打印、高密 度信息读写、深水探测及应用于大屏幕彩色显示和高清晰度彩色电视机中。总之, 可见光半导体激光器在彩色显示器光源、光存贮的读出和写入、激光打印、激光 印刷、高密度光盘存储系统、条码读出器以及固体激光器的泵浦源等方面有着广 泛的用途。量子级联激光的新型激光器可应用于环境检测和医疗检测领域。另外, 由于半导体激光器可以通过改变磁场或调节电流实现波长调谐,且已经可以获得 线宽很窄的激光输出,因此利用半导体激光器可以进行高分辨率光谱研究。可调 谐激光器是深入研究物质结构而迅速发展的激光光谱学的重要工具,大功率中红 外激光器在红外对抗、红外照明、激光雷达、大气窗口、自由空间通信、大气监 视和化学光谱学等方面有广泛的应用。 半导体激光器自上世纪年代初以来,由于动态单纵模激光器的研制成功 和实用化、量子阱激光器和应变层量子阱激光器的出现、大功率激光器及其列阵 的进展、可见光激光器的研制成功、面发射激光器的实现、单极 性注入半导体激 光器的研制等一系列的重大突破,半导体激光器的应用越来越广泛,半导体激光 华南师范大学硕士论文 第一章绪论 器已成为激光产业的主要组成部分。表?简要介绍各个波段半导体激光器应 用的主要领域。 表:半导体激光器应用 波长 应用领域 . 光纤通讯 激光打印,光存储,固体激光器泵浦,医疗,照明,大气传输,材料加工,激光刻蚀,短距离激光通信,国防等。 . 扫描,检测,光存储,激光打印,显示等 .半导体激光器光束的传统整形方法 大功率列阵是由多个激光发射单元每个单元相当于一个半导体激光器 构成的,如图一所示。由于非对称光波导的影响,每个激光器输出的光束在垂 直于结平面方向快轴和平行于结平面方向慢轴出现较大的差别: 、两个方向有较大的且不对称的发散角; 、两个方向的束腰不在同一位置上,即存在固有像散; 、一个发射单元在快轴方向源尺寸很小约为,而在慢轴方向源尺寸很大 约数百,远场为椭圆光斑。 这样半导体激光器列阵的输出光束必须要经过光学系统的整形之后才能实 际应用,包括对光束进行准直、像散校正及圆化处理等。 图大功率阵列光束示意图 国内外的研究机构对半导体激光器列阵的光束整形进行了大量的研究,并已 取得了丰硕的成果。下面我们就对国内外报导的一些主要的整形方法和整形系统 进行介绍。华南师范大学硕士论文 第‘章绪论 、自聚焦透镜法 自聚焦透镜是利用可变折射率材料制成的,从而使得光在其中通过时产生连 续折射而起到会聚光束的作用,同时能消除透镜的球差。现在对自聚焦透镜形状 的设计及其变换特性的研究已经有了较多的进展。自聚焦透镜具有结构简单、可 在输出面上形成实像的特点。由于自聚焦透镜的简单的折射光线原理,其对半导 体激光器的光束分布不会有明显改进,只能对输出光束进行简单的会聚收集。 图.为自聚焦透镜对半导体激光器输出光束进行收集会聚的光线传输示意图。 图.自聚焦透镜收集会聚输出的光线传输示意图 、光纤耦合系统 光纤耦合系统【】图.目前被普遍用于端面泵浦固体激光器中,从线阵 半导体激光器发出的光首先经过微柱透镜,对快轴方向的发散角进行压缩;然后 将压缩过的光线耦合入一个光纤线阵中,在另一端将光纤排列成圆状;最后,采 用组合透镜对光束进行聚焦,从而使输出光斑满足需要。 毙掰镧舞 ::::? 豢粪彰舞 蒺 缓 ;;;;;;鳜 墓薹霉墓鼍墨哇毒囊壤 眨缝蹉一”缓绣虢 黝霭纛 图.光纤耦合系统示意图 华南师范大学硕论文 第一章绪论 吉林大学集成光电子国家重点实验室和长春光学精密机械学院 高功率半导 体激光国家重点实验室的薄报学【】等人在年用这种方法对单元线阵的 半导体激光器进行了较为理想的光纤耦合实验,耦合效率达到了%,这种方法 可以简便地实现线阵输出光场的对称化,且激光束经过一段距离的光纤传输 后在输出截面上的强度得到匀化,传输过程中的光能损失也很小,缺点是系统体 积难于压缩,和光纤的对准比较因难。 、台阶形反射镜整形系统 德国的..四等人在年利用如图.的系统对线阵进 行整形。 图.台阶形反射镜整形系统俯视图 其整形步骤为: 用非球面微柱透镜对快轴方向进行准直,原理如图.所示,该透镜数值 孔径高达.,准直前快轴方向的发散角为。/定义, 准直后减小为 ,且耦合效率超过%,可见准直效果很好。 图.非球面柱透镜准直原理图且被反射到快轴方向,再经第二个台阶镜反射后传播方向变为慢轴方向且各光束 截面旋转了,这样经过一段距离的传输后就得到如图所示的输出 光 场。可以看出,光场的对称性得到了改善,如果使得快轴准直后光束的高度等于 台阶的宽度,那么光场的填充因子就为,光强分布较为均匀。 再用一个宏观柱透镜对慢轴方向进行准直。 由于第二个台阶镜的台阶形表面与光束传播方向成角,所以准直柱透镜 也与光束传播方向成角,如图.所示。 经过上述变换后得到的输出光场经透镜聚焦后光斑直径小于,整个系 统的能量传输效率为%。可以看出用这种方法进行整形,系统结构比较简单, 容易实现,且耦合效率较高。此方法已投入商业应用。 、成像系统 德国的 】等人在年利用如图.所示的系统对型号为 ..的线阵进行整形,用于端面泵浦固体激光器,该线阵由个激 光发射单元构成。 华南师范大学硕十论文 第章绪论 图.成像系统示意图 图中方向为慢轴方向方向为快轴方向为光束的传播方向。 其整形步骤为: 用微柱透镜对快轴方向准直,同时实现光束在方向的偏转。 由于快轴方向的发散角较大,所以整形的第一步一般都是对快轴方向的发散 角进行压缩,以使得后继的变换较为容易。图.中的柱透镜的外形轮廓 如图所示,柱透镜的数值孔径为.。等人让柱透镜在.平面内沿轴旋转一定的角度,这 样线阵中各光束通过此透镜后不仅能实现快轴方向的准直,还会在方向偏转 不同的角度,经过一段距离的传输后这些光束就会在方向分开。 图 柱透镜轮廓图 图.闪耀光栅阵列 第一章绪论 用闪耀光栅阵列透射式来校正光束在方向的传播方向,使之平行于 轴。 闪耀光栅阵列如图所示,由个光栅层叠排列而成。它相当于一个反 偏器,使得各光束通过它后传播方向回到轴方向。闪耀光栅属于二元光学器 件,二元光学器件是一种新型的衍射器件,具有多台阶的浮雕结构。 在实际制作该闪耀光栅时,是用台阶形轮廓来逼近图所示的锯齿形 轮廓的,衍射效率为%理论值为%。 再用一个双胶合透镜来校正光束在方向的传播方向,同时实现慢轴方 向的准直。 经过这个透镜之后,各光束在快、慢轴方向都被准直,且传播方向平行于 轴,这样就得到了一个低发散的,矩形截面的输出光场,可以用一个透镜把全部 光束聚焦成一个极小的圆光斑直径,从而实现高质量的泵浦。图. 中把聚焦透镜和双胶合透镜画在了一起,整个系统的耦合效率超过%。 可以看出整形系统由折射和衍射器件共同构成,结构比较复杂,但整形效果 较好,此系统已投入商业使用,整个设计过程可用名为.的软件来完 成。 我们把成像系统与光纤耦合系统做一个比较,可以看出两者都是对单束光进 行变换,这样当线阵中激光发射单元数目较多时,光纤耦合系统中的光纤数目及 成像系统中闪耀光栅的数目就会大大增加,使得系统更加复杂,因此这两种方法 比较适用于线阵的情况。 第一章绪论 功能集成等特 光学系统的小 其整形步骤为: 把线阵均分成村个子单元,每个子单元包括个小激光器。 分别用个双焦距的偏心菲涅耳透镜来对这些子单元的出射光束进行变换 这些透镜位于同一平面上,成矩形且密接。经过变换后,个子单元的出射光束 由线形排列变为矩形排列,且快、慢轴方向的发散角都得到了压缩,还可以通过 选择合适的器件参数来使得每束光在快、慢轴方向的光斑大致相同。由于此时各 光束的传播方向偏离了系统的光轴方向,所以还需要进行校正。 用个特殊的二元光学器件来同时校正光束在快、慢轴方向的传播方向, 使之偏回系统的光轴方向。这些二元光学器件位于同一平面上,每个器件都相当 于透镜和棱镜的组合。 经过上述变换后,各出射光束近似为平行光,输出光场截面为矩形,且填充 比高,因而光强均匀性较高,可以用一透镜将所有光强叠加于焦点,再耦合到固 体激光棒或光纤中。 可以看出,与传统器件构成的系统相比,二元光学整形系统对激光束的变换 更加灵活,系统的体积也更小,但耦合效率较低,需要进一步研制大数值孔径高 衍射效率的二元光学器件。 ×,它使用非球面圆柱形石英微透镜来提高透射率和准直效率, 适用于所有的多模二极管激光器。由于对快轴和慢轴同时实现准直,激光束的性 能大大提高。 运用微透镜准直的方法有多种,除了上述运用两个柱面微透镜分别对两个方 向的发散角进行准直外,近来还有一种采用一个折射率微透镜阵列对两个方向同 时准直,以及使用一个衍射型微透镜进行准直的的技术出现。新加坡的 采用聚焦离子束直接沉积二氧化硅的方法在激光器输出端面上制作了尺 寸为的椭圆微透镜,在波长处,聚焦光斑尺寸为 。和压缩到.。和.。【。如 ..,耦合效率%,远场发散角从 图.所示。 图.激光二极管发射面上沉积的椭圆微透镜 华南师范大学硕士论文 第一章绪论 美国麻省理工学院林肯实验室..等采用质量转移法 ,成功制作出/.的折射非球形微透镜,用于锥形 谐振腔激光器的光束准直,其衍射受限光束发散角为.,并实现了 同单模光 纤的耦合。其原理和结果如图.所示【。 图.锥形谐振腔激光器光束准直示意图 美国 公司采用金属模板复制出超环形表面 的微透镜直径为.进行激光束准直。如图.,在快轴方向,由于光 束发射角较大,采用焦距较短.的微透镜,而慢轴方向,则采用焦 距较 长.的微透镜进行准直【。图.具有超环形表面的微透镜示意图 加州大学. 等采用单片集成激光器和微透镜规格为 ×,输出光束发散角为.,功率密度达到 /,同直径为 的光纤耦合,耦合效率超过%,如图.所示【】。华南师范大学硕士 论文 第一章绪论 图.激光器和微透镜集成及与光纤的耦合 国内,成都光电技术研究所、华中科技大学、浙江大学等单位开展了这方面 的研究。成都光电所周崇喜、杜春雷等认为由于半导体激光器子午方向快轴方 向的发散角较大,采用单透镜不能同时消除激光束边光和带光球差,因此提出 采用折/衍混合系统进行系统边光球差和带光球差的校正,实现快轴方向光束的 准直。弧矢方向慢轴采用一个发光区和一微透镜阵列一一对应进行准直,最 后采用一双胶合透镜对准直光束进行聚焦。由于采用两柱面微透镜列阵对光束进 行准直,然后用一透镜进行聚焦,准直精度达.,聚焦光斑尺寸小于 .。此外还详细研究了微透镜面形误差、制作工艺等对准直效果的影响。如 图.所示。 ‘ 恢糍方阍 霸一邂镌 掰二迢镌 图.半导体激光器阵列微透镜准直聚焦 除了上面介绍的这些方法外,还有很多其它的微光学整形方法,如采用光纤 透镜【】;波导结构【;光子晶体;衍射透镜四等微器件或结构来完成。 .本论文研究目的及主要内容 本文的研究目的是设计和制作出基于激光准直的折射微透镜阵列。从理论分 华南师范大学硕士论文 第一章绪论 析、参数设计、制作样品、准直效果测试等方面进行了讨论和研究。 本文主要内容如下: 、介绍了半导体激光器的发展概况,回顾总结了传统整形方法,对微透镜阵列 及其应用进行了概述。 、阐述了准直微透镜阵列设计的相关原理。针对基于几何光学的矩阵光学和基 于激光光学的高斯光束传输特性的研究,为微透镜的设计作出了理论准备。 、运用相关理论设计单片微透镜组成的准直系统,提出了使用椭圆口径双曲轮 廓的微透镜阵列准直的可能性,得到了比较理想的透镜参数。 、介绍和讨论了制作微透镜阵列的工艺方法,重点研究了感光材料制作 微透镜的方法,并制备了椭圆口径双曲轮廓的微透镜阵列样品。 、利用微透镜阵列进行了激光发散角的测试,并对测试结果进行了分析。 、总结。华南师范大学硕士论文 第二章基本理论及微透镜阵列简介 第二章基本理论及微透镜阵列简介 .半导体激光器的输出光束 半导体激光器的模式可以分为空间模和纵模轴模。前者描述围绕输出光 束轴线某处的光强分布,后者则表示一种频谱,它反映所发射的光束的功率在不 同频率或波长分量上的分布,两者都可能是单模或者出现多个模式多模。 边发射半导体激光器具有非圆对称的波导结构,而且在垂直于异质结平面方 向快轴/横向和平行于结平面方向慢轴/侧向有不同的波导结构和光场限 制情况。快轴方向上都是异质结构成的折射率波导,而在慢轴方向目前多是折射 率波导,但也可采取增益波导,因此半导体激光器的空间模式又有横模与侧模之 分,图.表示了这两种空间模式。 图.半导体激光器的空间模式 半导体激光器发光区的几何尺寸不对称,所以其远场分布呈椭圆形。椭圆的 长、短轴分别对应于快轴方向与慢轴方向。在许多应用中都需要用光学系统对这 种非圆对称的远场光斑进行圆化处理。下面我们讨论半导体激光器输出光束的一 些特性。 ..半导体激光器输出光束的远场发散角 由于半导体激光器的有源层较薄,所以在横向有较大的发散角,定义在基模 ,在侧向有 高斯光束峰值光强之半处的发散角全角?一般为 。 较大的有源层宽度,所以发散角较小一般为 兰堕堕翌奎堂堡主堡壅 第二章基本理论及微透镜阵列简介 ::::::::::::: ?????????????????????????????????????????????二一:: 我们可以通过外部光学系统来压缩半导体激光器的发散角以得到相对准直 的输出光束,但要以一定的光功率损耗为代价,且准直出来的激光束的光斑仍然 是椭圆形。 ..半导体激光器输出光束的像散 半导体激光器在横向都是利用有源层两边折射率差所形成的光波导效应对 有源区光子进行限制的,而在侧向有增益波导与折射率波导两种光限制类型。在 横向,高斯光束的束腰在解理面上,且在束腰处为平面波前,如图所示。 在侧向,当波导机构是增益波导时,在该方向的光场分布如图所示。在 腔内距腔面为称像散量的地方出现虚腰,这也是外部观察者所能看到的 最小近场宽度。因此,从传播方向看去,两个方向的合成波前呈圆柱面,如图 所示。这种输出光束是像散的,像散是像差的一种,其影响是用球透镜 对解理腔面成像时,虚腰的像面与腔面的像面即横向光场束腰的像面不对应 同一处。后果是使得输出光束很难被一般的光学系统聚焦到很小的光斑,给应用 带来困难。即使是侧向有折射率波导限制的情况,由于载流子侧向分布的影响也 很难使上述表征像散大小的值为零,一般在 以上。 垃 .??? 一;;;:;【 /‘图垂直结平面方向的波前;平行结平面方向的波前;两个方向的合成波前华南师范大学硕士论文 第二章基本理论及微透镜阵列简介 综上所述,当半导体激光器的横向和侧向都以基模工作时,其输出的光束为 像散椭圆高斯光束,这样的光束需要经过整形后才能进行实际应用。 .矩阵光学原理 用矩阵来描述合轴透镜系统的几何成像问题。这种合轴系统有一连串的球形 折射表面并且都会合在同一条光轴上。只有在假设两个主要近似的范围内,所得 结果才是正确的。 第一个近似是几何光学的最基本假设,即光的波长小到可以忽略不计,并且 不是用波面而是用若干条独立的光线来描述光的传播。第二个近似是我们只考虑 近轴光线。近轴光线靠近光轴,并且几乎与光轴平行,因此,对涉 及到的任何角 度的正弦或正切,都可以采用一级近似。因而,处理结果将不会给出有关三级效 应的数据,例如球差或倾斜的彗差,像散,像场弯曲及其畸变等。 高斯指出,任何一个透镜系统,其特性都可以由它的六个基点来确定,即两 个焦点,单位角放大率的两个节点以及单位线放大率的两个主点。现在来考虑一 条近轴光线通过一个合轴透镜系统的传播问题。根据目前通用的习惯,我们使用 笛卡儿坐标系统,从左到右的这些点的连线代表了系统的光轴, 同时也代表这些光线传播的总方向。在横轴中,取为图平面内的向上方向, 而假设与图相垂直。讨论只限于那些处在平面内靠近轴的光线。 当一条光线通过光学系统的各种折射表面时,其轨迹将由一系列的直线组 成,其中每条直线都可以由直线上的一个点的坐标以及直线与轴的 夹角来详细描述。如果预先选择任意一个与轴相垂直的平面例如为常数的 一个平面,我们称之为参考平面心。于是,在任何一个特定的参考平面的 情况下,可以用一条光线与该参考平面相交时所对应的高度,以及这条光线与 轴的夹角来表示这条光线;角以弧度为单位,并且,若以轴的正方向为 轴线作逆时针旋转而到达光线传播的方向,则 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 它们之间的夹角为正数。 虽然能够将计算中遇到的所有的光线都归结到单个参考平面内例如 的参考平面,但是在实际上,对初始计算的每一个阶段来说,选择一个新的参 考平面却要方便得多。这意味着,在考虑光学系统的各个部件时,光线的数据便 从一个参考平面上连续地转移到下一个参考平面上。不过,一旦顺利完成对 大学硕士论文 第二章基本理论及微透镜阵列简介 统的初步计算以后,就可以设想出一个完整的光线转移矩阵,这个矩阵将 望考虑的所有光线数据从选定的输入参考平面上直接转移到选定的输出 面上。 任意一个参考平面冲上,根据光线高及其夹角,便可以详细表示 这 。不过,倘若采用相对应的“光学方向余弦”严格地讲应该是 夹角,其中是光所通过的介质的折射率,则计算将更加方便。将光学 弦记作,它服从斯涅耳定律’ ,当光通过两种不同介质之间 面时,仍然保持不变虽然采用光学方向余弦似乎比较复杂, 但是在大部份计算中,初始和最后的参考平面都置于空气中,所以与两者 差别很小而且可以大大简化平行平板的计算,并保证所有涉及到的矩阵都是幺模 矩阵。 在一条光线通过一个透镜系统时,为确定传输过程,只需考虑两个基本过程: 平移,或称透镜的两个折射面之间的间隔。光线越过间隔时,只是在其路 径上以直线方向传播到下一个折射表面。在列举一个间隔时,必须知道间隔的厚 度以及光线所通过的介质的折射率。 折射,即在折射率不同的两个区域之间的分界面上的折射。为了确定光线 受到多大的偏折,必须知道该折射表面的曲率半径以及分界面两 侧各自的折射率 值。 假设一条光线首先通过一个具有值和值的参考平面,接着通过平 移或折射过程,再通过另一个具有值和值的参考平面冲。根据值和 值,以及两个参考平面之间的平移或折射过程的特性,就可以求得给出一个 值和值的方程组。 因为对于上述两个过程,其方程组都是线性的,所以可以写成下述矩阵形式: ,, 芝:三荔 这些矩阵元素正是.等于的行列式。 业已证实,一个光学系统的每个部件都可以用一个幺模形式的光线转移矩阵 表示。将所有基本的平移和折射矩阵以正确的次序一起相乘,便得到了表示整个 部件的单根光线矩阵;从单个薄透镜到复杂的光学系统都可以这样做。 华南师范大学硕士论文 第二章基本理论及微透镜阵列简介 .高斯光束 半导体激光器输出的波长为九的高斯光束的几何参数如图所示, 设垂直 于结平面方向为方向,平行于结平面方向为方向,光束传播方向 为方向, 以半导体激光器出光面的中心为原点,则半导体激光器的输出光 束强度一般可看 作呈非对称高斯分布 删叫,,。丽.素南】 式中,、分别是非对称高斯光束、方向的束腰半径。令高斯光束 在 /::?’。‘’’ ’。毫》~ ,“‘。’。‘ , “、‘’。?~ 斩。’二 、、...~、、、翟...?.。,,’。‘ ?~ ’。‘’??‘、... 。一‘。” ./一 一 一 “一吁 , ’。一 ,.,,..,/’。...。:”‖、工卫、、. ,,,夕夕 ?弋?、、。 :;;::/、:::::乏?,..、. 图?椭圆高斯光束的特征参数 方向的束腰处,,则光束在方向的束腰处,??,、分别为从 半导体激光器在、方向的发射起点到微透镜阵列器件之间的距离,,, 为高斯光束在方向的束腰处,光束中心的强度。光束在、方向的光斑半径 、定义为:光强度等于中心强度/处的光束半径,其大小随的变化为 可以写为 . 吒“三】 .‰【譬】 。 式中和分别为高斯光束在、方向的共焦参数,它们分别为华南师范大学硕士论文 第二章基本理论及微透镜阵列简介 . ‰手 ‰:华。 ‰?产 我们定义:高斯光束的半发散角等于光斑半径对传播距离的变化 率,则高 斯光束在、方向的远场发散角分别为 . 懈脚掣羔压 ,五 口一,,.,引 .‘妇,, :一?? 巳。脚等.观/毒 光束的远场发 从.式和.式可以看出当束腰半径和哪越大, 散角和就越小。 .高斯光束的成像变换 由于我们要对半导体激光器输出的高斯光束进行整形,所以必然 要对高斯光 束进行成像变换,在这一节中我们对高斯光束通过光学系统的成 像变换规律进行 讨论。 高斯光束的参数定义为: ,一‘, 协” 一~ 一::一一一一 高南。南’黝 式中为高斯光束在处的等相位面的曲率半径,?为高斯光束在处的光 斑半径。 实际应用中往往用薄透镜对高斯光束进行变换,所以我们对高斯光束通过薄 透镜的情况进行讨论。如图.所示,已知入射高斯光束的束腰半径?,束腰 离透镜的距离和透镜的焦距。要求高斯光束通过透镜变换后的束腰位置 以及出射光束束腰半径?。 矩阵, ?二一 雩碣烈协四 。 代入下式中: 一彳 . ‰茄 得: 畋厂’ . 一譬 一孕 由于和为束腰位置的参数,故: 碣一厂华 纠’高鞠 . 专专悖剞五: 所以像方发散角为: 名 凸, ‖一 . 万 而,随着科学技术的进步,当前的仪器设备已朝着光、机、电集成的趋势发展趋 势。利用传统方法制造出来的光学元件不仅制造工艺复杂,而且制造出来的光学 元件尺寸大、重量大,已不能满足当今科技发展的需要。目前,人们已经能够制 作出直径非常小的透镜与透镜阵列,这种透镜与透镜阵列通常是不能被人眼识别 的,只有用显微镜、扫描电镜、原子力显微镜等设备才能观察到,这就是微透镜 和微透镜阵列。 微光学技术所制造出的微透镜与微透镜阵列以其体积小、重量轻、便于集成 化、阵列化等优点,已成为新的科研发展方向。随着光学元件小型化的发展趋势, 为减小透镜与透镜阵列的尺寸而开发了许多新技术,现在已经能够制作出直径为 毫米、微米甚至纳米量级的微透镜与微透镜阵列,微型透镜阵列作为新一代的光 学元件在光学领域里得到了广泛的运用。 .折射微透镜阵列的制作 对于折射微透镜,目前已经报道的制作微小透镜列阵的方法主要有平面工艺 离子交换法【、光敏玻璃法【、光刻胶熔融法【、光照射【及熔融法 、微喷打印法【引。微小透镜的二次成形制作法有反应离子刻蚀法【】、电子 束刻蚀,以及激光刻蚀法【。现分述如下。 ..平面工艺离子交换法 在温度高于?的盐浴池里,将金属离子由外及里地扩散到介质中 去,形 华南师范大学硕十论文 第二章基本理论及微透镜阵列简介 成折射率梯度,从而具有透镜效果。这种透镜阵列称之为折射率有梯度的平面微 透镜阵列。该方法的优点是:由于没有改变玻璃的面形,也没有附加任何结构, 因此制作出的微透镜阵列比较峰固;缺点是需要高温,实验时间较长几天, 而且不便于检测。 ..光敏玻璃法 以光敏玻璃 为材料用紫外线通过掩模对其曝光。将材 料加热到软化点,材料发生膨胀。然后对光敏玻璃两侧施加压力,由于光敏玻璃 被曝光的部分的密度与硬度远大于未曝光的部分,在挤压过程中未曝光的部分会 高出表面,在表面张力的作用下,突起的表面变成球形,从而迫使其形成透镜的 形状,如图.。这种工艺是由美国公司开发研制的。这种方法的最大 优点是它能使得透镜之间的部分变得不透明,可以消除相邻透镜间的光线干扰, 在显示器的应用中尤为突出,该方法的缺点是必须使用特殊的玻璃,且较难改变 透镜焦距等参数。 图.光敏玻璃法制作微透镜的过程 ..熔融光刻胶法 熔融光刻胶法是在年提出的,这种方法具有工艺相对简单, 对材料和设备的要求不高,工艺参数稳定且易于控制,复制容易,制作周期短等 优点,因而被广泛采用。用光刻胶热熔成型法来制作折射微透镜阵列的方法是: 将具有一定厚度的光刻胶在具有适当孔径的圆形图案掩模的遮蔽下,进行紫外曝 光,经过显影后在基底上就形成了相对应的孤立的岛状圆柱形胶体,再进行热处华南师范大学硕士论文 第二章基本理论及微透镜阵列简介 理,加热光刻胶至熔融态温度,此时熔融的光刻胶由于表面张力的作用,形成了 以图案孔径为边界的光滑球面,从而就得到了折射微透镜的表面结构。整个工艺 过程如图所示,可分为三步: 、光刻胶板在掩模的遮蔽下进行紫外曝光; 、对己曝光的光刻胶板进行显影和清洗; 、热熔成型。 嘲礅 鸸潋 ????? 稍膀 ???誓?一? 目掣口,目 。。???。。。..。....... 。一 图用熔融光刻热熔法制备微透镜阵列的工艺过程 利用光刻胶制作微透镜,工艺简单,但是普通光刻胶由于本身的化学性能和 机械性能较差,光学性能也不好,不适于作最终的微透镜或其他结构材料,而只 能用于定义图形或掩模等功能。 ..反应离子束刻蚀法 反应离子束刻蚀法采用离子轰击溅射和化学反应相结合的原理,用化学反应 性气体离子束进行刻蚀。根据所要刻蚀的材料选择某种气体或混合气体进入离子 源放电室离化,经离子光学系统成为离子束。反应气体离子束轰击材料除了直接 溅射外,同时与表面受轰击原子起化学反应,形成刻蚀产物脱离 材料表面。 利用离子束刻蚀的方法来实现微透镜阵列的面形传递,其工艺过程控制与传 统的光刻刻蚀过程不同。传统的刻蚀工艺以光刻胶或金属薄层为掩膜对基底材料 进行刻蚀,要求掩膜材料的刻蚀速率低,以保证将二维掩膜图形转移到基底材料 上形成三维微结构。而微透镜阵列的面形传递要求光刻胶与基底材料具有相同或 接近的刻蚀速率,使微透镜的球面面形无失真地传递到基底上。因此,微透镜阵 列反应离子束刻蚀过程控制的目的就是使光刻胶与基底的刻蚀速率比接近:, 且横向无钻蚀、扩蚀现象。反应离子刻蚀与离子束刻蚀相比较,有刻蚀速度快,华南师范大学硕十论文 第二章基本理论及微透镜阵列简介 制作的图形表面质量更好,刻蚀比可在很大范围内根据实际需要来调整等诸多优 点。 ..光刻热熔加离子束刻蚀法 用光刻热熔加离子束刻蚀制作微透镜是另外一种很有效的方法【。 首先透镜材料涂敷光刻胶,然后通过有不透明回孔的掩模曝光。显影后得到 有 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 的光刻胶圆柱阵列。用控制的加热使光刻胶圆柱软熔成半球形。半球形的 曲率半径由光刻胶的厚度来控制。然后把样品暴露在精确控制的氩离子束下,光 刻胶和透镜材料都受到刻蚀,光刻胶的半圆形形状转移到透镜,最后从背面把凸 透镜片的厚度减薄到使它的厚度等于透镜的焦距。 在上述方法中,最简单的方法当属光刻胶熔融法。与其它制作方法相比,它 具有工艺简单,对材料和设备的要求不高,工艺参数稳定且易于控制等优点,很 适于制作较大相对口径的微透镜。另一方面,光刻热熔法制作的微透镜与器件材 料无关,只须用所需要的材料作为微透镜的基底,在其上用热成型的方法获得球 冠状的光刻胶体,再将面形转移到基底上即可。然而光刻胶光学性能、抗磨损、 抗腐蚀性能都很不理想,所以有必要把这种阵列结构转移或复制到其他载体上。 但是最为实用,而且可靠性最好的方法当属热熔光刻胶加刻蚀转 移的方法。 这种方法最终得到的是以化学稳定性很好的硅、石英或其它光学材料,可靠性高。 而且这种方法,具有工艺相对简单,对材料和设备的要求不高,工艺参数稳定且 易于控制,复制容易等优点,很适于制作较大相对口径的微透镜。 ..电铸制模与注模复制 该方法是利用电铸方法制成与光刻胶微透镜阵列的面形完全相反的模电铸 制模过程,然后通过热压或模压方法便可制作出与光刻胶微透镜阵列的面形完 全相同的微透镜阵列。电铸制模方法首先通过蒸发或喷射沉积方法在光刻胶微透 镜阵列表面镀上一层金银薄膜;然后把它作为阴极,把一块镍作为阳极,在 电解液中进行电铸,使阴极上生成较厚的镍层;由于金银薄膜与镍的结合程 度远远大于金银与光刻胶的结合程度,因此可将表面附着金银的镍与光 刻胶分离开,作为复制的模。 华南师范大学硕士论文 第二章基本理论及微透镜阵列简介 ..溶胶凝胶 先通过图.所示的白组装法【】制作印章,然后可以采用溶胶.凝胶 复制方法参图.在玻璃基底上制作出半球结构的微透镜阵列。 溶胶.凝胶法的优点是它可以在玻璃基底上制作出玻璃材料的微透镜阵列。由于 纯材料在成形过程中会收缩,所以在制作母板时要适当放大以补偿材料的 收缩,将母板复制到表面可得到与母板反相的印章;将溶胶注入 到印章中,经过溶胶的水解和凝结反应生成,即凝胶。通过密化过 程可以去掉凝胶中的孔隙,使其结构更加致密,并与所要设计的器件完全一致。 ?一嗍吖嘲 旦凹?删瞻 ??蕾‘ 绷 露嘲 唧娉螂坩噼 懒睡鼬 图.将二维微球体阵列转移到的过程设计的器件 黧蓬翳囊霾象蘧茏翳鬟彝簇翳麓羹缴 器件母板 器件母椒 黧缀爨瑷麓魏觳簇糍麓戮戮嚣麓嚣溅缀爨蕤赣瑟瓣 ????‘?????一印章溶胶凝胶过程 致密溶胶凝胶复制的器件过程 ? 图.溶胶凝胶复制衍射光学元件工艺流程华南师范大学硕士论文 第二章基本理论及微透镜阵列简介 目前,各种微透镜阵列包括折射型和衍射型制作方法还有灰度掩模技术 “、二元光学技术【、束能直写技术【】、紫外模塑【.、、光阻热 回流法【。引、直接光刻法【】、软光刻法【击】等。这些方法都已经成功地用于大 量生产高质量光学元件,使得微透镜阵列光学元件不仅仅是局限在实验室内部, 而且通过工业商品化迈向市场。 .微透镜准直 由于半导体激光器输出的椭圆高斯光束的特征参数在和方向分别具有与 圆形高斯光束相同的表达式,所以其特征参数在和方向分别满足与圆形高斯 光束相同的变化规律,均遵循高斯光束传播的定律,这样我们可以将微 透镜对椭圆高斯光束的变换作用,等价为微透镜分别对在和方向的两个圆形 高斯光束的变换作用,在和方向的两个变换矩阵具有完全相同的 表达形式。 下面我们首先讨论微透镜对在方向的圆形高斯光束的变换作用, 焦距为的微 透镜对球面高斯光束的变换方向如图所示,变换矩阵可写为 ,一手”乒等 . 三三三叠一多厂三叠 一三 .垒由高斯光束传播的定律得: 』 / 、 \ / ’‘。......‘.... ?/。 . 。’。 : ’ ...../‖? //一 \ \. 、 , . . ’ ’ ’ ,。 图微透镜对椭圆高斯光束的变换方向 忍二丽/ ? 扣等署争 【,一/‘ 综合式、?式和.式,可求得变换后方向的束腰半径 为 《。 【屯二】, 令等堋: 叠 有 竺 幺一旦 一 仅矿 因此,当厂:‘益时,《。取极大值,有 【二::兰上 ’粥 由知: 或一竺 .: 一 一万 旦啦 一, 上一 ””华南师范大学硕士论文 第二章基本理论及微透镜阵列简介 即当《。取极大值时,方向的远场发散角俄取极小值,即在这一条 件下光束经 变换后方向的远场发散角最小,准直效果最好,将?式代入?式 得 而彰一兰:鱼 砸工 。 ? 焦距为的微透镜对球面高斯光束的变换方向如图一所示,同理可 \ ./// ? .主 ,’ . 一可 ‘\ ,,一 ..,一一 \. 图?微透镜对椭圆高斯光束的变换方向 求得变换后方向的束腰位置为 影锵 方向的束腰半径为 略萨爱铲 当厂:,叠时,仃;。取极大值,有 弧‖。’:旦盟;旦 咧啪等。云 即当仃;。取极大值时,方向的远场发散角嘭取极小值,有 允 、 ;一??生?卫 氕华南师范大学硕士论文 第二章基本理论及微透镜阵列简介 在以上的推导中,仃二取极大值的条件厂,纽与仃%取极大值的条 件 厂鸪害是不相同的,这就要求准直用的微透镜在方向和方向有不同的 焦距和,满足 以 . 荪盔% 仁 由于半导体激光器在方向和方向有不同的发散角,两方向的共焦参数不 同,所以准直需要的微透镜在方向和方向的焦距也不同。同时,微透镜只有 一个冠高,要使微透镜在方向和方向的焦距不同,只有使两个方向的口径不 同,才能达到同时准直的效果,故本文采用椭圆口径进行设计。大学硕士论文 第三章准直微透镜阵列的设计 第三章准直微透镜阵列的设计 于半导体激光器具有很小的发光面和非对称的激活通道,其出射光束为发 斯光束,具有很大的像散和远场发散角,一般平行及垂直方向的远场发散 。。范围,所以这种光束需要预先准直才能实 在 。微透镜阵列的一个重要功能就是光波波面变换,利用微透镜阵列器件将 激光器阵列发射的像散光束变换成准直光束,可以想象是一种有效途径。 由于半导体激光器输出波长随工作温度的升高而增大,而衍射微透镜受色差的影 响大,因此我们采用受色差影响很小、制作成本低的折射微透镜与半导体激光器 集成,以实现半导体激光器的微细出射光束的整形和准直。 本章我们将根据日立公司提供的一种半导体激光器进行实际设计。激光器的 各项技术参数如下: 波长: 水平发散角全角:. 垂直发散角全角:. 像散:. .透镜设计 根据本实验的实际情况,由于要采用微透镜的方法进行准直,透镜的厚度与 物距、焦距相比较,无法忽略不计,因此设计计算中采用的透镜应 为厚透镜。 公式推导的思路:采用参数变换法,利用定律求出高斯光束经过 透镜变换后的参数,就得到变换后的高斯光束的束腰大小以及位置参数,据此, 可以研究获得要求的远场发散角所具备的相应条件。由于厚透镜的光线变换矩阵 非常复杂,带入定律后的结果很难处理。而由应用光学理论可知,厚透 镜系统可以等效为主平面位置用、表示的焦距为的透镜,如下图.所示, 就可以用薄透镜的光线变换矩阵代替进行计算,然后利用矩阵光学的方法求出厚 透镜的矩阵,从而获得其等效的结构参数。第三章准直微透镜阵列的设计 华南师范大学硕十论文 图厚透镜等效图 为了保证对两个方向的光都进行准直,就必须同时考虑两方向上的准直情 况,方向的发散角较大,设计时应优先准直方向再兼顾方向的准直情况。 所设计的微透镜截面图如图.所示。 ,/ 、 广 ’\\\ ?? \ 勉‘\\ ?~山 . ? ? 地 ?卜 ???呻 ??.??.?一。..???. ‘ \\\ 珥 ? \\ “、\ “? 》 ’ 图.微透镜截面图 以方向为例,其矩阵计算如下: 所以,透镜焦距乒一二??南 第一主面距离:工乒 . 第二主面距离: ,一乒 . 其它几何关系如下: ... ?. ?? ?? . , 华南师范大学硕十论文 第三章准直微透镜阵列的设计 .微透镜的制作参数设计 ..球冠微透镜的热熔公式 为简化分析过程,我们对热熔微透镜的最终面形轮廓以几何球面 来进行近似 处理。根据热熔微透镜的制作原理和制作工艺过程,作如下分析: 对于球面形状 轮廓光刻胶透镜,其熔化前为圆柱状胶体,熔化后呈球冠状,且熔 化前后图形的 :径保持不变,即掩模图形的口径也为球冠微透镜的口径。与此同 时,假设温度 升高时,光刻胶的挥发可以忽略,则熔化前后的胶体体积保持一 致。 一/,~毒 \ \ \ 图热熔成型示意图 由上图可以得到: . .百 秒:旦 . ..椭圆口径微透镜的热熔公式 对于椭圆口径形微透镜来说,情况比较复杂,设掩模版图形为标 准椭圆,其 长轴与短轴分别为和。可以由此求得椭圆柱体体积为: . ~ :彳万皿,日 .蟹 图.椭圆口径微透镜俯视图第三章准直微透镜阵列的设计 胶形状为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 双曲球冠的一部分,设其方程为: 彤 ?。,。,痧。, 事詈一事一 被看作用垂直于轴的平面截取了一部分,可以得到: 事矿譬一? 其底面积不变,所以此即为热熔前椭圆形柱状胶体的底面积。 故: 协四 丢万一?华一,卜 当的时候,就是说截取的双曲球冠非常薄的时候,根据热熔前后 其体积不 变有近似:日?昙。 考虑到由于高温热熔过程中的光刻胶溶剂的强烈挥发,热熔前后 的胶体体积 将会减小,引入一个反映减小程度的参数,定义为热熔成形前后 胶体的体积比。 所以最终的设计公式是: 尺:?? 二旦 . ? .折射微透镜设计结果 针对半导体激光器两个不同的发散角,垂直结平面方向快轴发散角非常 大,平行结平面方向慢轴发散角较小,采用双凸透镜准直时首先考虑快轴方 向的准直情况,再考虑存在像散的慢轴方向。根据相关初始参数,设计时充分考 虑实验条件,兼顾两个方向使输出的光束成为圆斑,我们设定准直后的快轴和慢 轴的发散角相等,编制计算程序,得到的设计参数如表.所示。华南师范大学硕论文 第三章准直微透镜阵列的设计 表设计参数表 波长 垂直发散角 水平发散角 . 像散 . 玻璃折射率 . 材料折射率 . 玻璃板厚度? . 初始物距 . 前表面冠高 . 后表面冠高“ . . 快 慢. 轴 . 轴 . 方 . 方 . 径. 口径“ 向 . 向 . 焦距 焦距“ . . 理论发散角 理论发散角