半导体激光光幕的平行性和均匀性研究

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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(Powelllens)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(Fresnellens)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。