마이크로광학은 미래의 미광 기계 시스템 (MOEMS, 일명 마이크로기계 시스템) 의 중요한 구성 요소 중 하나이며, 다른 두 구성 요소는 마이크로전자와 마이크로기계이며 광학 MEMS 라고도 합니다. 마이크로광학 구성요소는 작은 크기, 가벼운 무게, 유연한 디자인, 어레이 구현, 간편한 대규모 복제 등의 장점을 가지고 있으며, 광학 시스템 수차 보정, 광학 시스템 이미징 품질 향상, 시스템 무게 감소 등 현대 광학 분야에 성공적으로 적용되었습니다. 레이저 광학 분야에서 널리 사용되며 레이저 빔의 파면을 변경하고 빔 시준, 성형, 광 교환, 광 상호 연결 등의 빔 변환을 가능하게 합니다. 마이크로광학 구성요소는 빛의 전파 방식 (DOEs) 와 굴절 광학 요소 (ROEs) 에 따라 간단히 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 이진 광학 요소 (BOEs) 는 일반적으로 사용되는 회선 마이크로광학 요소로, 여러 단계의 면으로 연속적인 광학 면형을 근사화하는 중요한 마이크로광학 요소입니다. 마이크로광학 구성요소에 해당하는 설계 방법에는 피네엘, G-S 알고리즘, 유전 알고리즘, 광선 추적 등과 같이 회절법과 굴절이 전파되는 기하학적 광학이 있습니다. CODE V, ZEMAX, OSLO 등과 같은 검증된 상용 소프트웨어는 마이크로광학 부품 및 시스템 설계를 최적화하는 기능을 갖추고 있습니다.

2. 마이크로 광학 부품 제조 방법

마이크로광학 구성요소의 제조 방법에는 기계 가공법과 광학 가공법의 두 가지가 있습니다. 주요 가공 방법은 [1]: 광섬유 렌즈 드로잉, 초정밀 연삭, 성형, 다이아몬드 선반가공 등입니다. 광학 가공 방법은 광각법이다. 가공법의 장점은 공예가 간단하다는 점이다. 어레이 부품과 대규모의 저렴한 복제를 실현하기 어렵고 원통형 렌즈 및 임의의 불규칙한 표면의 마이크로광학과 같은 비대칭적인 마이크로광학 요소를 만드는 것이 쉽지 않다는 단점이 있다. (윌리엄 셰익스피어, 윈도, 원어민, 원어민, 원어민, 원어민, 원어민) 광학 가공법의 장점은 불규칙한 면 렌즈 (특히 이원 마이크로광학 요소) 를 구현할 수 있고, 대규모로 복제할 수 있으며, 공예가 복잡하고 환경에 대한 요구가 높다는 단점이 있다. 광학 리소그래피는 주로 이원광법, 마스크 이동 방법, 그레이스케일 마스크 방법, 핫멜트 방법 및 그라데이션 굴절 인덱스 방법을 포함한 이원 회선 마이크로광학 요소와 연속면 마이크로광학 요소를 구현합니다. 그림 1 은 리소그래피 8 단계 이진 회절 마이크로 광학 요소의 가공 원리입니다. 세 가지 주파수의 마스크를 사용하여 접착제, 노출, 현상 및 에칭 프로세스를 통해 95% 회절 효율을 달성한 마이크로광학 구성 요소입니다. 그림 2 는 마스크 이동법으로 만든 연속 평면 마이크로광학 배열 구성요소입니다. 먼저 원하는 표면 모양에 따라 마스크를 설계한 다음 노출 중에 마스크를 이동하여 각 부분에 대해 다른 노출량을 얻을 수 있습니다. 마지막으로 현상 및 반응 이온 에칭을 통해 포토 레지스트의 표면 모양을 광학 표면 재질로 옮깁니다. 그레이스케일 마스크법은 마이크로광학 구성요소에 필요한 표면 유형에 따라 마스크를 그레이스케일로 인코딩하여 해당 광도 투과율 분포 함수를 형성합니다. 한 번의 노출과 현상기를 통해 적절한 포토 레지스트 표면 모양을 얻을 수 있으며, 그림 3 과 같이 에칭을 통해 광학 재질의 표면 모양을 얻을 수 있습니다. 핫멜트 방법은 그림 4 와 같이 노출 후 포토 레지스트의 표면 장력을 수축시켜 표면 모양을 형성합니다. 이러한 방법에서는 표면 모양이 쉽게 제어되지 않고 불규칙한 표면 모양을 만들기 어려우므로 핫멜트 방법의 적용이 제한됩니다. 이원 회절법은 여러 가지 복잡한 면형을 실현하고 광범위하게 응용할 수 있지만, 광각 선폭 해상도의 제한으로 인해 큰 값의 마이크로광학 요소를 만들 수 없다. (윌리엄 셰익스피어, 리소그래피, 리소그래피, 리소그래피, 리소그래피, 리소그래피, 리소그래피) 마스크 이동법은 큰 구멍 지름의 컴포넌트를 만들 수 있지만 중심 대칭이나 회전 대칭이 없는 컴포넌트는 만들기가 어렵습니다. 그레이스케일 마스크법은 디자인이 유연하여 모든 면형의 마이크로광학 요소를 만들 수 있지만, 마스크 제작 과정에서 데이터의 양이 많기 때문에 면형을 정확하게 제어하기가 어렵다. 일반적으로 이진 회절법은 소수 구멍 지름의 마이크로광학 구성요소에 적용되고, 연속 면법은 큰 숫자 작은 구멍 지름을 만드는 마이크로광학 구성요소에 적합합니다.

3. 1 반도체 레이저의 특성 및 광섬유 결합 방법

레이저 다이오드와 그 어레이는 크기가 작고, 무게가 가벼우며, 발광 효율이 높고, 변조와 통합이 쉬워 가장 유망한 레이저로 여겨진다. 고출력 반도체 레이저는 레이저가 단일 발광 영역 구조가 아니라 특정 규칙에 따라 스트립 칩 또는 스택 어레이로 배열되어야 합니다. 그림 5 는 전형적인 고전력 막대 어레이 반도체 레이저를 보여 줍니다.

부품 발광 단면 다이어그램. 반도체 레이저의 특수 구조는 발산각이 크고 난시가 있어 사용에 많은 불편을 끼쳐 반도체 레이저의 응용을 제한한다. (윌리엄 셰익스피어, 반도체, 반도체, 반도체, 반도체, 반도체, 반도체, 반도체, 반도체, 반도체, 반도체) DPSL 과 같은 몇 가지 응용 프로그램 외에도 반도체 레이저 펌프가 있는 모든 솔리드 스테이트 레이저 (DPSL) 의 끝, 광섬유 레이저, 요구 사항이 높은 측면 펌프 레이저 등과 같은 대부분의 응용 프로그램은 LDA 빔을 성형해야 합니다. 코어 지름이 작고, 숫자 구멍이 작고, 밝기가 높은 광섬유 결합 레이저 출력을 형성합니다. 초기 방법은 광섬유를 LDA 의 각 발광 영역에 하나씩 대응시켜 광섬유 한 다발을 형성하는 것이었다. 이 방법은 높은 전력에서 큰 광섬유 묶음을 사용해야 하지만 밝기가 크지 않아 더 이상 빔을 형성하여 밝기를 높이기가 어렵기 때문에 이 방법은 이미 도태된 경향이 있다. (데이비드 아셀, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 노력명언) 마이크로광학 부품과 고전력 반도체 레이저 어레이가 모두 소형화 및 패턴화되는 특징을 감안하면 마이크로광학 부품으로 반도체 레이저 빔을 시준, 성형, 커플링을 하는 것이 가장 유망한 것으로 여겨진다.

마이크로렌즈 배열의 빔 성형 방법. 먼저 마이크로렌즈 배열을 사용하여 LDA 빔을 시준 빔으로 만든 다음 빔을 추가로 성형한 다음 그림 6 과 같이 성형된 빔에 초점을 맞추고 광섬유에 결합합니다.

3.2 광섬유 커플 링 LDA 모듈의 원리 분석

광섬유 커플러 출력 레이저 빔의 주요 매개변수는 전력 외에 코어 지름과 숫자 구멍 지름도 있습니다. 특정 코어 지름 및 숫자 구멍 지름의 광섬유 결합 빔의 경우 전체 결합 프로세스는 광학 매개변수의 곱이 변하지 않는 원리 [3] 를 충족합니다. 광학 매개변수의 곱은 플레어 지름과 해당 방향의 발산 각도의 곱으로 정의됩니다. 지름이 d 인 원형 대칭 빔의 경우 원거리 발산 각도는 θ이고 빔의 광학 매개변수 곱은 입니다

BPP LDA 와 BPP 광섬유는 각각 결합된 빔과 광섬유의 광학 매개변수 곱입니다. 그림 5 에 표시된 고출력 반도체 레이저 어레이의 경우 빠르고 느린 축 방향의 광학 매개변수 곱은 각각 0.70mm*mrad 와 1745mm*mrad 이지만 발산각을 1/e2 로 정의하면 레이저의 발산이 발생합니다 실제로 어레이 반도체 레이저의 발광 영역 사이에는 간격이 있으며, 듀티 비율은 1 이 아닌 0.3 입니다. 따라서 마이크로렌즈 어레이와의 일대일 시준은 듀티 비율을 높이고 느린 축 방향의 광학 매개변수 곱을 줄여 광학 매개변수 곱을19 × 0.15 ×10 ×/KK 로 바꿀 수 있습니다.

3.3, 시준 빔 시준 및 성형

코어 지름이 800μm 이고 숫자 구멍 지름이 0.22 인 광섬유의 경우 광학 매개변수 곱이 352mm*mrad 이고, 고속 축 방향의 광학 매개변수 곱이 커플링 요구 사항을 충족하기에 충분합니다. 느린 축 방향의 광학 매개변수 곱이 너무 커서 기존 광학 시스템을 변경할 수 없으므로 빔을 성형해야 합니다. 빔 성형은 느린 축에서 빔을 재정렬하여 한 방향으로 플레어 크기를 줄이고 다른 방향으로 플레어 크기를 늘려 두 방향으로 광학 매개변수 곱의 균형을 이루는 것입니다. 느린 축 방향의 광학 매개변수 곱이 BPPslow 이고, 빠른 축 방향의 광학 매개변수 곱이 BPP fast 인 경우 등식 (3) 을 통해 빔 성형 수 N 을 계산할 수 있습니다.

실제로 접기 횟수의 증가로 인해 번들 간격 간의 손실이 발생할 수 있으므로 빠르고 느린 축 방향의 광학 매개변수 곱이 결합된 광섬유의 광학 매개변수 곱보다 작으면 됩니다. 현재 빔 성형에는 반사, 굴절 및 굴절의 세 가지 유형이 있습니다. 굴절 및 굴절 반사 빔이 정확한 후에도 느린 축 방향에 일정한 발산 각도가 남아 있어 여러 굴절 면에 더 큰 반사 손실이 발생하여 광로에서 벗어나 전체 시스템의 결합 효율을 떨어뜨릴 수 있습니다. 반사는 비교적 이상적인 방법이므로 반사를 선택하면 시스템의 결합 효율을 높이는 데 도움이 됩니다.

가로세로비가 0.3 인 스트라이프 패턴 LDA 의 경우 고속 축과 느린 축 방향의 광학 매개변수 곱은 각각 0.70 mm*mrad 와 497 mm*mrad 입니다. 광학 매개변수 곱이 352 mm*mrad 이고 파장이 800um, 0.22NA 인 광섬유를 결합해야 하는 경우 느린 축 빔은 성형과 접기만 두 번 하면 됩니다.

3.4, 계산 및 시뮬레이션

ZEMAX EE 비순차 광선 추적 광학 설계 소프트웨어를 사용하여 광원의 발광 모델, 빔 시준, 성형 및 초점을 시뮬레이션하여 각 단계의 라이트 필드 분포 및 효율성을 얻을 수 있습니다. 그림 8 은 몇 가지 중요한 광학 표면 위치의 광 강도 분포를 보여 줍니다. 여기서 A 는 막대 어레이 레이저의 발광 표면에 있는 광 강도 분포입니다. 그림에서 볼 수 있듯이 총 19 개의 발광 영역, 각 발광 영역의 출력 전력은 2W 이므로 총 출력 전력은 38W, B 는 느린 축 방향 정렬 후의 광도 분포, 전력은 37.9, C 는 성형 후의 광도 분포, 레이저 전력은 365438+ 입니다. D 는 초점 광섬유 끝면의 광 강도 분포입니다. 시뮬레이션 결과에서 플레어는 150um×720um 보다 작고 출력 전력은 26W 이며 커플링 효율은 68.5% 입니다. 총 전력이 40W 인 경우 광섬유 커플링의 출력 전력은 27.4W 입니다.

3.5, 실험 결과 및 분석

40W 막대 어레이 반도체 레이저는 광섬유를 통해 마이크로렌즈 어레이와 결합된다. 레이저는 19 개의 발광 영역으로 구성되며 각 발광 영역의 길이는 150 입니까? M, 발광 영역 사이의 거리는 500? 따라서 막대 배열 발광 영역의 길이는 10mm 이고, 빠르고 느린 축 방향의 발산 각도는 각각 8 및 36°(FWHM) 입니다. 저속 축 마이크로렌즈 배열 시준 후, 시준 광선의 속축 방향의 발산각은 각각 2.3mrad 와 42.5mrad, 플레어는 약 10 mm× 0.6 mm 로 두 번 접은 후1.2mm ×가 된다 그림 9 는 막대 어레이 반도체 레이저의 P-I 곡선과 광섬유 결합 출력의 P-I 곡선이고 그림 10 은 실제 광섬유 결합 반도체 레이저입니다. 전력 손실은 주로 다음과 같은 측면에 있다: 실측 효율이 낮고, 하나는 시준 포락선 에너지가 빠르며, 느린 축 방향은 90% 에 불과하다. 둘째, 렌즈당 반사 에너지 손실은 약 5 ~ 8% 를 차지합니다. 성형 중 파면 분할이 재정렬되어 가장자리 손실이 약 5 ~ 8% 입니다. 마지막으로 커플링 광섬유 끝면의 반사와 누출로 인해 약 10% 의 에너지가 손실되었습니다.