ACS Photonics文章：
一片DOE光學元件實現多片透鏡的功能：集成化多功能光學元件促進雷射二極體陣列光源走向緊湊化與智慧化
西北工業大學空天微納系統教育部重點實驗室的黎永前教授團隊，在雷射二極體陣列多光束整形與單片集成光場調控方面取得新進展。相關研究成果以 “Multibeam Shaping of Laser Diode Arrays via Phase-Functional Decomposition for Monolithic Integration” 發表在國際期刊ACS Photonics。該工作圍繞雷射二極體陣列光源在高亮度雷射投影、三維傳感和雷射加工等應用中的多光束整形難題，提出了一種基於相位功能分解的集成化多功能光學元件設計方法，實現了陣列多通道光束的傳播方向校正、能量重分佈和空間合束，為緊湊型、高集成度多光束光場調控系統提供了新的技術路徑。論文採用一片DOE光學元件，期望代替透鏡、擴束鏡、複眼透鏡等5片透鏡的功能，光學效率期望達到80%以上。該設計方法在繞射光學元件設計中得到驗證，也可拓展應用至超構表面光學元件設計中。
論文連結：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.6c00325
雷射二極體（LD）陣列因功率可擴展、亮度高、結構緊湊，已成為雷射投影、工業加工、車載3D傳感及AR/VR光引擎的核心光源。但其多通道非共軸特性——即各子光束在空間位置、傳播方向和發散角上存在顯著差異——導致光斑無法重合、勻化與聚焦，無法直接得到尺寸可控、均勻清晰的目標光場。.
為突破雷射二極體陣列多光束協同調控的技術瓶頸，西北工業大學空天微納系統教育部重點實驗室黎永前教授團隊在單片集成多光束整形方向取得重要進展。相關成果以 “Multibeam Shaping of Laser Diode Arrays via Phase-Functional Decomposition for Monolithic Integration” 為題發表於國際光子學領域權威期刊 《ACS Photonics》。西北工業大學機電學院王建旭博士是論文第一作者。
該工作面向高亮度雷射投影顯示、車載三維傳感及精密雷射加工等對光源緊湊性、穩定性和能效比要求嚴苛的應用場景，針對LD陣列固有的空間離散性、角度非共軸性與發散差異性三大挑戰，提出一種基於相位功能解耦的繞射光學元件（DOE）設計方法。該方法將複雜多光束調控任務——包括各子光束的傳播方向校正、發散角補償、能量重分佈與目標平面空間合束——統一編碼至繞射器件中，成功實現多通道光束在遠場的高保真重合與均勻化光斑生成。論文採用一片DOE光學元件，期望代替透鏡、擴束鏡、複眼透鏡等5片透鏡的功能，實現集成化多功能光學元件，促進雷射二極體陣列光源走向緊湊化與智慧化。
該設計範式顯著簡化了傳統多級光學系統，為發展晶片級集成、低損耗、可批量製造的多功能光場調控器件提供了新路徑，對推動雷射陣列光源向微型化、智慧化和系統級單片集成演進具有重要意義。
圖 1. 面向多通道陣列光束的多功能集成整形方法示意圖。圖中展示了雷射二極體陣列發出的多通道光束經過單片 DOE調控後，在像面形成重合目標光斑的整體系統。
圖 2. 相位功能分解方法原理。圖中展示了校正相位、強度重分佈相位和空間合束相位的功能分解及其線性疊加過程。
圖 3. RGB 多通道陣列光源整形實驗結果。圖中展示了RGB多通道實驗系統、DOE表面結構以及紅、綠、藍三色通道的矩形複合光斑。
研究團隊開展了多光束平頂圖案整形實驗。實驗驗證表明：所製備DOE成功實現圓形、三角形、矩形三種平頂光斑的多光束整形、532 nm光源的光學效率達到80%以上；複合光斑均勻性好、邊緣清晰。相比傳統多級光學系統，該方法顯著減少光學元件數量，降低體積與裝調難度。
研究團隊提出的這種設計方法可拓展應用至超構表面光學，應用至VCSEL陣列、多芯光纖雷射器、多通道SLM系統等平臺，結合高精度微納加工與智慧優化演算法，在雷射投影、3D傳感、精密加工及集成光子晶片等領域具有廣泛應用前景。
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