大功率LED均勻線光源光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

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，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LD面陣經(jīng)耦合后類點光斑及菲涅爾透鏡會聚太陽光斑實現(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°，強度分布為余弦輻射體類點光源LED為模型。仿真計算光輻射強度為360 mW/sr，輻射通量為1 079 mW，平均輻射照度為4.5 W/cm2，該擴展光源通過設(shè)計多復(fù)合橢球腔獲得均勻線光源[8，9]。設(shè)計方法為第一焦點為公共焦點，第二焦點以第一焦點為中心分別繞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第二焦點等間距線性排列，設(shè)計出復(fù)合反射腔。光源放置第一焦點處，經(jīng)設(shè)計后7個橢球復(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88.81%的均勻線光源。此設(shè)計方法得出LED光強模型與橢球各設(shè)計參量間關(guān)系，通過優(yōu)化設(shè)計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)耦合后擴展點狀光斑、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)計方案

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

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

圖1 總體設(shè)計圖示意圖

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M、L1、R1、L2、R2這五個共第一焦點C的反射橢球以及設(shè)置各個橢球向不同方向的不同旋轉(zhuǎn)角度，將LED放置于第一焦點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橢球所在坐標系，可根據(jù)旋轉(zhuǎn)和平移獲得通用表達式如式(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(0,0,10)處。本設(shè)計分別采用五個與七個復(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….}，即多橢球第二焦點坐標，以上數(shù)據(jù)表1給出。將表1數(shù)據(jù)代入式(2)計算L1R1與L2R2橢球初始設(shè)計參量，旋轉(zhuǎn)角度計算結(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個復(fù)合橢球反射聚光腔進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軟件采用均勻度計算公式[10-12]。

表1 橢球參數(shù)

圖5 5個橢球復(fù)合輻照度圖

圖6 7個橢球復(fù)合輻照度圖

(3)

表2 五個橢球與七個橢球不同旋轉(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)計時每個橢球旋轉(zhuǎn)角度不同，為了獲得均勻擴展線光源可以根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度影響到每個橢球有效反射面積從而影響每個聚光中心光斑總輻射通量大小。此設(shè)計方案以0.01°步長調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度分別對兩種數(shù)量橢球進行交疊，可以優(yōu)化近似獲得相同輻射通量的焦斑。七個橢球相對于五個橢球在旋轉(zhuǎn)時由中心橢球向兩側(cè)逐漸增加|α|角度降低|θ|，達到平衡各個交疊橢球接受的輻射通量，改善各個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)計方法可以改進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)模型和光源光強模型推算各橢球初始設(shè)計參量，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(0,0,51)附近處得到一個長為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)計方法可以實現(xiàn)了擴展點光源向均勻擴展線光源的轉(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。