大功率LED均匀线光源光学系统设计

燕宇翔，芦 宇，张祥祥

(天津职业技术师范大学电子工程学院，天津 300222)

引言

目前，侧面泵浦结构简单、性能稳定，相较于端面泵浦更容易实现均匀泵浦提高激光输出光束质量[1，2]。为了获得均匀泵浦多采用线阵LD侧面泵浦，但由于泵浦光的分布不均匀，工作物质内的增益分布与激光谐振腔本征基模难以模式匹配[3，4]。同时，对于太阳光泵浦激光器为增加集光效率多采用混合泵浦方式，但是泵浦光无法与激光介质棒均匀耦合，研究人员采用非成像光学系统设计方法来获得较好的均匀耦合效果，以提高激光输出光束质量[5-7]。因此设计LD面阵经耦合后类点光斑及菲涅尔透镜会聚太阳光斑实现均匀线光源侧向泵浦聚光系统是十分必要的。

本文采用欧司朗LUW-HWQP型号芯片，其电功率为3.05 W，辐射通量为1 080 mW，发散角为120°，强度分布为余弦辐射体类点光源LED为模型。仿真计算光辐射强度为360 mW/sr，辐射通量为1 079 mW，平均辐射照度为4.5 W/cm2，该扩展光源通过设计多复合椭球腔获得均匀线光源[8，9]。设计方法为第一焦点为公共焦点，第二焦点以第一焦点为中心分别绕x轴与y轴旋转不同角度及微调椭球长轴参量获得多个第二焦点等间距线性排列，设计出复合反射腔。光源放置第一焦点处，经设计后7个椭球复合腔在z轴51.5 mm处辐照出长约为10 mm、宽约为3 mm均匀度达88.81%的均匀线光源。此设计方法得出LED光强模型与椭球各设计参量间关系，通过优化设计参量在不同椭球反射面上获得相同辐射通量，使得二次焦斑形成线型均匀光斑，为LD面阵经耦合后扩展点状光斑、太阳光经菲涅尔透镜聚焦后光斑转换为均匀侧向泵浦光以及建立自由曲面奠定基础。

1 多复合椭球设计方案

本设计采用角度旋转椭球、多焦点叠加的方法获得均匀线光源，总体设计图如图1所示。

考虑复合椭球对称性，仅给出图1中五个椭球包含的中间M椭球，左侧L1、L2椭球分别围绕坐标旋转与平移方法，如图2～图4所示。

图1 总体设计图示意图

图2 M椭球示意图

图3 L1椭球示意图

图4 L2椭球示意图

通过设计M、L1、R1、L2、R2这五个共第一焦点C的反射椭球以及设置各个椭球向不同方向的不同旋转角度，将LED放置于第一焦点C处，在各椭球第二焦平面附近获得均匀线形光斑。其中M、L、R分别表示中间反射椭球，左侧，右侧反射椭球。各椭球参数关系如式(1)所示。

2a1=2a0+2Δ0-2Δ1,c1=c0,

2a2=2a0+2Δ0-2Δ2,c2=c0

(1)

M、L1R1、L2R2椭球所在坐标系，可根据旋转和平移获得通用表达式如式(2)所示。

(2)

2 模型建立与仿真分析

2.1 仿真模型

直径为D=2 mm、辐射强度为360 mW/sr，辐射通量为1 079 mW，平均辐射照度为4.5 W/cm2大功率朗伯体LED作为光源放置在多椭球公共第一焦点(0,0,10)处。本设计分别采用五个与七个复合椭球完成，设定辐照均匀线光源中心分别为{z=51.5，y=0.4，x=±nD，n=0，1，2，3….}，即多椭球第二焦点坐标，以上数据表1给出。将表1数据代入式(2)计算L1R1与L2R2椭球初始设计参量，旋转角度计算结果如表2所示。

2.2 仿真结果分析

依据LED光源，表1及表2参数，借助Tracepro对5与7个复合椭球反射聚光腔进行蒙特卡洛光迹追踪，其辐照如图5和图6所示。光线追踪并用Matlab软件采用均匀度计算公式[10-12]。

表1 椭球参数

图5 5个椭球复合辐照度图

图6 7个椭球复合辐照度图

(3)

表2 五个椭球与七个椭球不同旋转角度下均匀度结果

从表2可以看出，不同数量椭球设计时每个椭球旋转角度不同，为了获得均匀扩展线光源可以根据旋转角度影响到每个椭球有效反射面积从而影响每个聚光中心光斑总辐射通量大小。此设计方案以0.01°步长调节旋转角度分别对两种数量椭球进行交叠，可以优化近似获得相同辐射通量的焦斑。七个椭球相对于五个椭球在旋转时由中心椭球向两侧逐渐增加|α|角度降低|θ|，达到平衡各个交叠椭球接受的辐射通量，改善各个聚光中心位置及总辐射通量从而提升线光源均匀度。最后获得扩展线光源峰值平均功率密度约为4.4 W/cm2，均匀度最大约为88.81%的线形光斑。

3 结论

高功率密度均匀线光源设计方法可以改进LD侧面均匀泵浦及太阳光轴向均匀泵浦的需求。本文提出了一种复合椭球腔方法可以获得均匀线光源，根据椭球的性质和坐轴旋转法则推导出复合椭球腔的数学模型，并根据数学模型和光源光强模型推算各椭球初始设计参量，通过以0.01°步长调节初始椭球模型，在z=51.5 mm平面，即各椭球第二焦点(0,0,51)附近处得到一个长为10 mm、有效半高全宽为3 mm、均匀度为88.81%、峰值平均功率密度约为4.4 W/cm2线型光斑，表面此设计方法可以实现了扩展点光源向均匀扩展线光源的转换。因此线光源光功率密度没有明显下降，可以推断该方法也可用于新型太阳能激光泵浦激光介质棒聚光腔系统中，有利于提高激光输出质量。