大功率LED均勻線光源光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

燕宇翔，蘆 宇，張祥祥

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津 300222)

引言

目前，側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定，相較于端面泵浦更容易實(shí)現(xiàn)均勻泵浦提高激光輸出光束質(zhì)量[1，2]。為了獲得均勻泵浦多采用線陣LD側(cè)面泵浦，但由于泵浦光的分布不均勻，工作物質(zhì)內(nèi)的增益分布與激光諧振腔本征基模難以模式匹配[3，4]。同時(shí)，對于太陽光泵浦激光器為增加集光效率多采用混合泵浦方式，但是泵浦光無法與激光介質(zhì)棒均勻耦合，研究人員采用非成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法來獲得較好的均勻耦合效果，以提高激光輸出光束質(zhì)量[5-7]。因此設(shè)計(jì)LD面陣經(jīng)耦合后類點(diǎn)光斑及菲涅爾透鏡會(huì)聚太陽光斑實(shí)現(xiàn)均勻線光源側(cè)向泵浦聚光系統(tǒng)是十分必要的。

本文采用歐司朗LUW-HWQP型號(hào)芯片，其電功率為3.05 W，輻射通量為1 080 mW，發(fā)散角為120°，強(qiáng)度分布為余弦輻射體類點(diǎn)光源LED為模型。仿真計(jì)算光輻射強(qiáng)度為360 mW/sr，輻射通量為1 079 mW，平均輻射照度為4.5 W/cm2，該擴(kuò)展光源通過設(shè)計(jì)多復(fù)合橢球腔獲得均勻線光源[8，9]。設(shè)計(jì)方法為第一焦點(diǎn)為公共焦點(diǎn)，第二焦點(diǎn)以第一焦點(diǎn)為中心分別繞x軸與y軸旋轉(zhuǎn)不同角度及微調(diào)橢球長軸參量獲得多個(gè)第二焦點(diǎn)等間距線性排列，設(shè)計(jì)出復(fù)合反射腔。光源放置第一焦點(diǎn)處，經(jīng)設(shè)計(jì)后7個(gè)橢球復(fù)合腔在z軸51.5 mm處輻照出長約為10 mm、寬約為3 mm均勻度達(dá)88.81%的均勻線光源。此設(shè)計(jì)方法得出LED光強(qiáng)模型與橢球各設(shè)計(jì)參量間關(guān)系，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)參量在不同橢球反射面上獲得相同輻射通量，使得二次焦斑形成線型均勻光斑，為LD面陣經(jīng)耦合后擴(kuò)展點(diǎn)狀光斑、太陽光經(jīng)菲涅爾透鏡聚焦后光斑轉(zhuǎn)換為均勻側(cè)向泵浦光以及建立自由曲面奠定基礎(chǔ)。

1 多復(fù)合橢球設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)采用角度旋轉(zhuǎn)橢球、多焦點(diǎn)疊加的方法獲得均勻線光源，總體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

考慮復(fù)合橢球?qū)ΨQ性，僅給出圖1中五個(gè)橢球包含的中間M橢球，左側(cè)L1、L2橢球分別圍繞坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)與平移方法，如圖2～圖4所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)圖示意圖

圖2 M橢球示意圖

圖3 L1橢球示意圖

圖4 L2橢球示意圖

通過設(shè)計(jì)M、L1、R1、L2、R2這五個(gè)共第一焦點(diǎn)C的反射橢球以及設(shè)置各個(gè)橢球向不同方向的不同旋轉(zhuǎn)角度，將LED放置于第一焦點(diǎn)C處，在各橢球第二焦平面附近獲得均勻線形光斑。其中M、L、R分別表示中間反射橢球，左側(cè)，右側(cè)反射橢球。各橢球參數(shù)關(guān)系如式(1)所示。

2a1=2a0+2Δ0-2Δ1,c1=c0,

2a2=2a0+2Δ0-2Δ2,c2=c0

(1)

M、L1R1、L2R2橢球所在坐標(biāo)系，可根據(jù)旋轉(zhuǎn)和平移獲得通用表達(dá)式如式(2)所示。

(2)

2 模型建立與仿真分析

2.1 仿真模型

直徑為D=2 mm、輻射強(qiáng)度為360 mW/sr，輻射通量為1 079 mW，平均輻射照度為4.5 W/cm2大功率朗伯體LED作為光源放置在多橢球公共第一焦點(diǎn)(0,0,10)處。本設(shè)計(jì)分別采用五個(gè)與七個(gè)復(fù)合橢球完成，設(shè)定輻照均勻線光源中心分別為{z=51.5，y=0.4，x=±nD，n=0，1，2，3….}，即多橢球第二焦點(diǎn)坐標(biāo)，以上數(shù)據(jù)表1給出。將表1數(shù)據(jù)代入式(2)計(jì)算L1R1與L2R2橢球初始設(shè)計(jì)參量，旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算結(jié)果如表2所示。

2.2 仿真結(jié)果分析

依據(jù)LED光源，表1及表2參數(shù)，借助Tracepro對5與7個(gè)復(fù)合橢球反射聚光腔進(jìn)行蒙特卡洛光跡追蹤，其輻照如圖5和圖6所示。光線追蹤并用Matlab軟件采用均勻度計(jì)算公式[10-12]。

表1 橢球參數(shù)

圖5 5個(gè)橢球復(fù)合輻照度圖

圖6 7個(gè)橢球復(fù)合輻照度圖

(3)

表2 五個(gè)橢球與七個(gè)橢球不同旋轉(zhuǎn)角度下均勻度結(jié)果

從表2可以看出，不同數(shù)量橢球設(shè)計(jì)時(shí)每個(gè)橢球旋轉(zhuǎn)角度不同，為了獲得均勻擴(kuò)展線光源可以根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度影響到每個(gè)橢球有效反射面積從而影響每個(gè)聚光中心光斑總輻射通量大小。此設(shè)計(jì)方案以0.01°步長調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度分別對兩種數(shù)量橢球進(jìn)行交疊，可以優(yōu)化近似獲得相同輻射通量的焦斑。七個(gè)橢球相對于五個(gè)橢球在旋轉(zhuǎn)時(shí)由中心橢球向兩側(cè)逐漸增加|α|角度降低|θ|，達(dá)到平衡各個(gè)交疊橢球接受的輻射通量，改善各個(gè)聚光中心位置及總輻射通量從而提升線光源均勻度。最后獲得擴(kuò)展線光源峰值平均功率密度約為4.4 W/cm2，均勻度最大約為88.81%的線形光斑。

3 結(jié)論

高功率密度均勻線光源設(shè)計(jì)方法可以改進(jìn)LD側(cè)面均勻泵浦及太陽光軸向均勻泵浦的需求。本文提出了一種復(fù)合橢球腔方法可以獲得均勻線光源，根據(jù)橢球的性質(zhì)和坐軸旋轉(zhuǎn)法則推導(dǎo)出復(fù)合橢球腔的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)數(shù)學(xué)模型和光源光強(qiáng)模型推算各橢球初始設(shè)計(jì)參量，通過以0.01°步長調(diào)節(jié)初始橢球模型，在z=51.5 mm平面，即各橢球第二焦點(diǎn)(0,0,51)附近處得到一個(gè)長為10 mm、有效半高全寬為3 mm、均勻度為88.81%、峰值平均功率密度約為4.4 W/cm2線型光斑，表面此設(shè)計(jì)方法可以實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)展點(diǎn)光源向均勻擴(kuò)展線光源的轉(zhuǎn)換。因此線光源光功率密度沒有明顯下降，可以推斷該方法也可用于新型太陽能激光泵浦激光介質(zhì)棒聚光腔系統(tǒng)中，有利于提高激光輸出質(zhì)量。