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0431-81702023
光学工程
半导体激光光幕的平行性和均匀性研究

光能量分布的均匀程度对测量精度有较大的影响,主要表现在:一是如果光幕面内光能量较小,就不足以使光电探测器响应;二是光幕面内光能分布不均匀使得计时误差较大,直接影响测量精度。文中以红光点状光斑半导体激光器作为发射光源,通过鲍威尔棱镜和菲涅尔透镜等光学系统的组合,实现了出射光幕的均匀性和平行性。所形成的均匀平行光幕不但可以提高测量精度,而且可以对光幕进行拼结,实现超大光幕的形成。这对以前的小面积光幕是一个很大的突破,并且可以对过去所使用的同类设备产品进行进一步的改进。 

1.光学系统分析 

1.1.鲍威尔棱镜 

鲍威尔棱镜(Powell lens)是一种光学划线棱镜,它使1mm激光束通过非球面透镜最优化地划成光密度均匀、稳定性好、直线性好的一条直线。鲍威尔棱镜划线优于柱面透镜划线模式,能消除高斯光束的中心热点和褐色边缘分布。应用范围主要是:激光划线器、机加工划线定位、建筑标线定位、激光扫描系统。其原理图如图1所示。


当约1mm的准直激光光束打到鲍威尔棱镜的棱上时,由放大部分可以看出,棱是圆弧状的,光线入射后发生折射,折射角主要由两个棱面所构成的角度决定,最后经过出射面时再发生一次折射,整个出射光线形成一道扇形光幕。 

1.2菲涅尔透镜 

菲涅尔透镜(Fresnel lens)是一种精密的光学系统,它是根据对接收灵敏度和接收角度的要求设计制造的,通常由聚乙烯材料注塑成薄纹片,再刻上精细的镜面和纹理。其技术精度要求甚高,优质透镜必须纹理清晰、表面光洁、厚度在0.65mm左右。红外光的透过率应大于65%。与传统的光学玻璃透镜相比,菲涅尔透镜具有重量轻,材料来源丰富,成本低,制作方便,口径大,厚度薄等特点。 

实验中利用了菲涅尔透镜的平行聚焦特性,让点光源从菲涅尔透镜的焦点发射,经过它之后形成一道平行光幕,如图2。 

 

 

2.设计方案及测试结果 

结合鲍威尔棱镜和菲涅尔透镜的工作原理,设计整套光学系统,如图3。

       首先选取了波长为650nm的红光椭圆光斑和圆光斑激光器进行测试,实验中未加入光阑,利用光功率计在光学实验平台上进行分组测试。实验中每平移5mm进行一次功率测试,每组共测400个数据。最后用origion软件进行处理,光强分布图如图4、图5。

 

从图中可以看出,圆光斑的光强分布要均匀很多,通过计算得到圆光斑比椭圆光斑激光器的均匀度要好约46%。这主要是由于椭圆光斑激光器的光斑直径大,且不均匀,而圆光斑的直径小,且光束分布比较集中,准直性较好。为了进一步提高均匀性,选择在光束打到鲍威尔棱镜前加光阑,对光束直径再进行限制。光强分布图如图6。


3.结束语 

从实验结果可以看出:点光斑激光器的光束通过该系统可以达到300mm左右宽的均匀平行光幕。该系统可以用来减小线性激光器高斯分布带来的不均匀性误差,提高了精度。由于点光斑激光器的准直性和菲涅尔透镜锯齿的间距、深浅等加工工艺的影响,产生了两端光强分布较强的部分,从而降低了光的利用率,这是今后设计时仍需要进一步研究的地方。

 

 


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