趙倩楠，張瑞峰，李 鏘

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激光光譜展寬散斑抑制效果分析

趙倩楠，張瑞峰，李 鏘

( 天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300072 )

針對(duì)激光顯示技術(shù)中的散斑干擾，提出了一種利用外腔半導(dǎo)體激光器來(lái)展寬光譜的散斑抑制方法。利用外腔半導(dǎo)體激光器中光反饋引起的自混合干涉效應(yīng)，適當(dāng)調(diào)節(jié)反饋強(qiáng)度使激光器進(jìn)入相干坍塌態(tài)，以獲得具有寬帶發(fā)射特性的激光。然后將該寬帶激光光源用于散斑測(cè)量系統(tǒng)，由于光譜展寬降低了激光的時(shí)間相干性，從而散斑現(xiàn)象能夠得到有效抑制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在自由空間反射光路中，當(dāng)激光器處于相干坍塌態(tài)時(shí)，光譜展寬至6 nm且為多縱模振蕩，散斑對(duì)比度降低至0.049。

激光顯示；散斑抑制；自混合干涉效應(yīng)；相干坍塌

0 引 言

激光顯示以其色域空間廣、光亮度高、能耗低及壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)被稱為“人類(lèi)視覺(jué)史上的革命”。然而由于激光的高度相干性，當(dāng)其照射到粗糙表面時(shí)，會(huì)形成或明或暗的顆粒狀圖樣，即激光散斑[1]。散斑的存在造成極低的信噪比，導(dǎo)致圖像的對(duì)比度和分辨率降低，進(jìn)而減弱了觀察者從圖像中提取細(xì)節(jié)的能力。因此，散斑抑制是激光顯示技術(shù)應(yīng)用中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

目前，研究人員已對(duì)抑制散斑的理論及實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了大量研究。通常采用的散斑抑制方法是將機(jī)械運(yùn)動(dòng)的元件，例如旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)的散射體[2-3]，或兩個(gè)高速振動(dòng)的壓電式促動(dòng)器[4]，亦或高速振動(dòng)的二維掃描微鏡[5]，插入激光束傳輸光路中。但是上述方法[2-5]均需在光路中添加高速振動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的元件，系統(tǒng)可靠性隨之降低。針對(duì)這一問(wèn)題，有研究者[6-7]提出利用膠體溶液的顆?；蛞旱巫鳛橐苿?dòng)的散射單元，通過(guò)室溫下的布朗運(yùn)動(dòng)代替電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的高速振動(dòng)達(dá)到抑制散斑的目的。盡管散斑抑制效果顯著，但精確配制膠體溶液過(guò)程中存在溶劑不易選取、濃度難以控制等問(wèn)題。還有研究者提出利用合理排布的二維激光陣列[8]抑制散斑，由于該方法需要精密調(diào)節(jié)點(diǎn)光源之間具有最小角間隔的同時(shí)保持散斑圖樣彼此相互獨(dú)立，實(shí)驗(yàn)操作比較復(fù)雜。此外，使用固定的多模光纖[9]，或是特制的隨機(jī)激光器[10-11]也能夠有效抑制散斑，但這兩種方法均不適用于具有任意頻帶的激光器，有一定的局限性。

本文利用處于相干坍塌態(tài)的外腔半導(dǎo)體激光器作為寬帶激光光源實(shí)現(xiàn)散斑抑制。出射激光經(jīng)外腔平面鏡反射并耦合進(jìn)激光器，反射光與激光腔內(nèi)的光發(fā)生自混合干涉實(shí)現(xiàn)輸出光譜調(diào)制。適當(dāng)調(diào)節(jié)光反饋強(qiáng)度，使激光器的輸出進(jìn)入相干坍塌態(tài)[12]，可獲得具有寬帶發(fā)射特性的激光。然后搭建自由空間反射光路，將此寬帶激光作為光源完成散斑測(cè)量實(shí)驗(yàn)，分析散斑抑制效果。

1 理論原理與分析

1.1 通過(guò)光譜展寬抑制散斑

根據(jù)散斑圖樣的形成原理，減弱照明光的時(shí)間相干性或空間相干性是抑制散斑的有效途徑，本文主要研究前者。已知光譜展寬能降低照明光的時(shí)間相干性，因此本部分將定性分析光譜展寬，即寬帶發(fā)射光源抑制散斑的效果。針對(duì)自由空間反射光路進(jìn)行討論，假設(shè)入射角和觀察角固定不變且近似相等。

為了分析式(2)中散斑對(duì)比度的制約因素，假定表面高度漲落服從高斯分布，略去冗雜的推導(dǎo)直接給出相關(guān)結(jié)論。歸一化功率譜的自相關(guān)函數(shù)表示為[1]

被測(cè)散斑圖樣的強(qiáng)度相關(guān)如下式所示[1]：

其中：

將式(3)~(5)代入式(2)計(jì)算散斑對(duì)比度，結(jié)果為

圖1 法向入射和法向觀察情況下，散斑對(duì)比度與歸一化表面粗糙度 和分?jǐn)?shù)帶寬的關(guān)系

圖2 歸一化表面粗糙度的等值線圖中，散斑對(duì)比度 與分?jǐn)?shù)帶寬的關(guān)系(a) 完整圖; (b) 部分等值線放大圖

1.2 外腔半導(dǎo)體激光器中自混合干涉效應(yīng)對(duì)光譜分布的影響

采用法-珀腔模型分析外腔半導(dǎo)體激光器，如圖3所示。法-珀腔由三個(gè)反射鏡面組成：半導(dǎo)體激光器的兩個(gè)端面和，以及外腔反射鏡。與構(gòu)成激光器內(nèi)腔，腔長(zhǎng)為。與構(gòu)成激光器外腔，外腔長(zhǎng)度定義為。激光器兩個(gè)端面和的反射率分別為和，外腔反射鏡的反射率為。

圖3 外腔半導(dǎo)體激光器的簡(jiǎn)化示意圖

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)量結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)裝置及其光路原理如圖4所示。圖中上半部分表示反饋強(qiáng)度可調(diào)節(jié)的外腔半導(dǎo)體激光器及其輸出光譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。外腔半導(dǎo)體激光器的核心裝置是單模半導(dǎo)體激光器，其中心波長(zhǎng)為650 nm，輸出功率是10 mW，典型閾值電流是20 mA，工作電流要求不超過(guò)35 mA。為了達(dá)到最佳自混合干涉效果，外腔長(zhǎng)度被設(shè)為35 cm，半導(dǎo)體激光器的泵浦電流設(shè)為。實(shí)驗(yàn)中，激光器的出射光經(jīng)透鏡(L1)準(zhǔn)直，然后通過(guò)半波片(HWP)并被偏振分束器(PBS1)分成了兩束光。其中一束光被反射鏡(M1)反射并耦合進(jìn)激光器內(nèi)腔；另一束光作為探測(cè)光通過(guò)四分之一波片(QWP)并經(jīng)光纖耦合器(FC)耦合進(jìn)光譜儀(OSA)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光器的寬帶發(fā)射特性。其中，HWP與PBS1構(gòu)成可調(diào)分束器，調(diào)節(jié)HWP的光軸與激光偏振方向的夾角改變分束比，從而控制反饋強(qiáng)度的大小。QWP與PBS1構(gòu)成光隔離器，用于阻止探測(cè)光返回激光器內(nèi)腔。

圖4 寬帶激光光源及散斑測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

散斑測(cè)量系統(tǒng)圖4下半部分所示。上述外腔半導(dǎo)體激光器出射激光經(jīng)焦距為30 mm的透鏡(L2)準(zhǔn)直，然后從法線方向照射到粗糙平面，形成的散斑圖樣被放置在距離粗糙平面100 mm處的CCD相機(jī)采集。將對(duì)比度作為散斑的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，散斑對(duì)比度的定義為

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 激光器在兩種典型狀態(tài)下的輸出光譜(a) 無(wú)光反饋; (b) 相干坍塌態(tài)

為了更準(zhǔn)確地衡量寬帶激光抑制散斑的效果，需盡量避免由CCD像素造成的散斑圖樣的空間平均引起的影響，因此，CCD單一像素尺寸相比散斑尺寸需足夠小。在自由空間反射光路中，散斑尺寸可被合理近似為[1]，其中是照明激光波長(zhǎng)，是粗糙平面到CCD相機(jī)平面的距離，是散射光斑的直徑。本實(shí)驗(yàn)中，是650 nm，是100 mm，是0.5 mm，CCD單一像素尺寸4.4 μm4.4 μm相比于散斑尺寸130 μm130 μm是不可比擬的，因此滿足實(shí)驗(yàn)所需要求。在自由空間反射光路中，由圖5所示的兩種狀態(tài)下的激光分別照射粗糙平面，CCD獲取的散斑圖樣如圖6(a)和6(b)所示。與無(wú)光反饋時(shí)初始態(tài)的散斑圖樣(圖6(a))相比，通過(guò)處于相干坍塌態(tài)的激光照射所得的散斑圖樣(圖6(b))更加清晰平滑，散斑抑制效果明顯。散斑圖樣的灰度值分布可表征散斑強(qiáng)度分布，圖7即為圖6散斑圖樣水平線處的灰度值分布。對(duì)比圖7(a)和7(b)可知，通過(guò)處于相干坍塌態(tài)的激光照射所得的散斑圖樣強(qiáng)度分布更加均勻、平滑，散斑抑制效果良好。兩種典型狀態(tài)下，所測(cè)散斑對(duì)比度及相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖6 兩種典型狀態(tài)下獲取的散斑圖樣(a) 無(wú)光反饋; (b) 寬帶發(fā)射光譜

圖7 圖6所示水平線處的強(qiáng)度分布(a) 無(wú)光反饋; (b) 寬帶發(fā)射光譜

表1 兩種典型狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

為了消除激光顯示中存在的散斑干擾，本文提出了一種新的散斑抑制方法，在搭建的外腔半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)反饋強(qiáng)度使激光器的輸出達(dá)到相干坍塌態(tài)，獲得的寬帶激光光源能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)散斑的有效抑制。理論分析了光譜展寬抑制散斑的可行性，并且表明外腔半導(dǎo)體激光器處于相干坍塌態(tài)時(shí)可獲得具有寬帶發(fā)射特性的激光。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)節(jié)反饋強(qiáng)度為-16.3 dB時(shí)，激光器進(jìn)入相干坍塌態(tài)，光譜展寬至6 nm且為多縱模振蕩；繼而將其用于自由空間反射光路中的散斑測(cè)量系統(tǒng)，散斑對(duì)比度被降低到0.049。理論及實(shí)驗(yàn)均表明本文提出的散斑抑制方法行之有效且效果顯著，此外，本方案具有成本低、操作簡(jiǎn)便、可靠性高等特點(diǎn)，在散斑抑制領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用價(jià)值。

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Analysis of Speckle Suppression by Laser Spectral Broadening

ZHAO Qiannan，ZHANG Ruifeng，LI Qiang

( School of Electronic Information Engineering, Tianjin University, Tianjin300072, China )

For the speckle noise in laser display, a speckle reduction method by the spectral broadening is proposed, which is based on the external cavity semiconductor laser system. Firstly, by appropriately tuning the feedback ratio, the state of coherence collapse is obtained using the optical-feedback-induced self-mixing interference and can be harnessed for the realization of the spectrally broadband emission. Then the optimized broadband laser source is utilized in the speckle measurement system. Significant speckle reduction can be achieved by the spectral broadening due to the low temporal coherence properties of lights. Experimental results show the performance of the proposed approach. The extraordinarily high spectral bandwidth of about 6 nm with multimode emission is achieved in the coherence collapsed state. In free-space reflection geometry, the speckle contrast has been successfully reduced down to 0.049 with this broadband laser source.

laser display; speckle suppression; self-mixing interference effect; coherence collapse

1003-501X(2016)12-0206-06

TN249

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.12.031

2016-08-08；

2016-09-27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61471263)

趙倩楠(1992-)，女(漢族)，山西長(zhǎng)治人。碩士研究生，主要研究工作是光電測(cè)量與檢測(cè)技術(shù)。E-mail: zhaoqiannan_job@163.com。