激光光譜展寬散斑抑制效果分析

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

( 天津大學電子信息工程學院，天津300072 )

針對激光顯示技術中的散斑干擾，提出了一種利用外腔半導體激光器來展寬光譜的散斑抑制方法。利用外腔半導體激光器中光反饋引起的自混合干涉效應，適當調節反饋強度使激光器進入相干坍塌態，以獲得具有寬帶發射特性的激光。然后將該寬帶激光光源用于散斑測量系統，由于光譜展寬降低了激光的時間相干性，從而散斑現象能夠得到有效抑制。實驗結果表明，在自由空間反射光路中，當激光器處于相干坍塌態時，光譜展寬至6 nm且為多縱模振蕩，散斑對比度降低至0.049。

激光顯示；散斑抑制；自混合干涉效應；相干坍塌

0 引 言

激光顯示以其色域空間廣、光亮度高、能耗低及壽命長等優勢被稱為“人類視覺史上的革命”。然而由于激光的高度相干性，當其照射到粗糙表面時，會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，導致圖像的對比度和分辨率降低，進而減弱了觀察者從圖像中提取細節的能力。因此，散斑抑制是激光顯示技術應用中需要解決的關鍵問題之一。

目前，研究人員已對抑制散斑的理論及實驗方法進行了大量研究。通常采用的散斑抑制方法是將機械運動的元件，例如旋轉或移動的散射體[2-3]，或兩個高速振動的壓電式促動器[4]，亦或高速振動的二維掃描微鏡[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或旋轉的元件，系統可靠性隨之降低。針對這一問題，有研究者[6-7]提出利用膠體溶液的顆?；蛞旱巫鳛橐苿拥纳⑸鋯卧?，通過室溫下的布朗運動代替電機驅動產生的高速振動達到抑制散斑的目的。盡管散斑抑制效果顯著，但精確配制膠體溶液過程中存在溶劑不易選取、濃度難以控制等問題。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節點光源之間具有最小角間隔的同時保持散斑圖樣彼此相互獨立，實驗操作比較復雜。此外，使用固定的多模光纖[9]，或是特制的隨機激光器[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的外腔半導體激光器作為寬帶激光光源實現散斑抑制。出射激光經外腔平面鏡反射并耦合進激光器，反射光與激光腔內的光發生自混合干涉實現輸出光譜調制。適當調節光反饋強度，使激光器的輸出進入相干坍塌態[12]，可獲得具有寬帶發射特性的激光。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量實驗，分析散斑抑制效果。

1 理論原理與分析

1.1 通過光譜展寬抑制散斑

根據散斑圖樣的形成原理，減弱照明光的時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間相干性，因此本部分將定性分析光譜展寬，即寬帶發射光源抑制散斑的效果。針對自由空間反射光路進行討論，假設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，略去冗雜的推導直接給出相關結論。歸一化功率譜的自相關函數表示為[1]

被測散斑圖樣的強度相關如下式所示[1]：

其中：

將式(3)~(5)代入式(2)計算散斑對比度，結果為

圖1 法向入射和法向觀察情況下，散斑對比度與歸一化表面粗糙度 和分數帶寬的關系

圖2 歸一化表面粗糙度的等值線圖中，散斑對比度 與分數帶寬的關系(a) 完整圖; (b) 部分等值線放大圖

1.2 外腔半導體激光器中自混合干涉效應對光譜分布的影響

采用法-珀腔模型分析外腔半導體激光器，如圖3所示。法-珀腔由三個反射鏡面組成：半導體激光器的兩個端面和，以及外腔反射鏡。與構成激光器內腔，腔長為。與構成激光器外腔，外腔長度定義為。激光器兩個端面和的反射率分別為和，外腔反射鏡的反射率為。

圖3 外腔半導體激光器的簡化示意圖

2 實驗系統及測量結果

2.1 實驗系統

實驗裝置及其光路原理如圖4所示。圖中上半部分表示反饋強度可調節的外腔半導體激光器及其輸出光譜監測系統。外腔半導體激光器的核心裝置是單模半導體激光器，其中心波長為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35 mA。為了達到最佳自混合干涉效果，外腔長度被設為35 cm，半導體激光器的泵浦電流設為。實驗中，激光器的出射光經透鏡(L1)準直，然后通過半波片(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)反射并耦合進激光器內腔；另一束光作為探測光通過四分之一波片(QWP)并經光纖耦合器(FC)耦合進光譜儀(OSA)，實時監測激光器的寬帶發射特性。其中，HWP與PBS1構成可調分束器，調節HWP的光軸與激光偏振方向的夾角改變分束比，從而控制反饋強度的大小。QWP與PBS1構成光隔離器，用于阻止探測光返回激光器內腔。

圖4 寬帶激光光源及散斑測量系統實驗裝置

散斑測量系統圖4下半部分所示。上述外腔半導體激光器出射激光經焦距為30 mm的透鏡(L2)準直，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相機采集。將對比度作為散斑的評價標準，散斑對比度的定義為

2.2 實驗結果

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

為了更準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，是粗糙平面到CCD相機平面的距離，是散射光斑的直徑。本實驗中，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，因此滿足實驗所需要求。在自由空間反射光路中，由圖5所示的兩種狀態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。與無光反饋時初始態的散斑圖樣(圖6(a))相比，通過處于相干坍塌態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度分布，圖7即為圖6散斑圖樣水平線處的灰度值分布。對比圖7(a)和7(b)可知，通過處于相干坍塌態的激光照射所得的散斑圖樣強度分布更加均勻、平滑，散斑抑制效果良好。兩種典型狀態下，所測散斑對比度及相關實驗結果如表1所示。

圖6 兩種典型狀態下獲取的散斑圖樣(a) 無光反饋; (b) 寬帶發射光譜

圖7 圖6所示水平線處的強度分布(a) 無光反饋; (b) 寬帶發射光譜

表1 兩種典型狀態下的實驗結果

3 結 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，在搭建的外腔半導體激光器系統中，調節反饋強度使激光器的輸出達到相干坍塌態，獲得的寬帶激光光源能夠實現對散斑的有效抑制。理論分析了光譜展寬抑制散斑的可行性，并且表明外腔半導體激光器處于相干坍塌態時可獲得具有寬帶發射特性的激光。實驗結果表明，調節反饋強度為-16.3 dB時，激光器進入相干坍塌態，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量系統，散斑對比度被降低到0.049。理論及實驗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、操作簡便、可靠性高等特點，在散斑抑制領域中具有重要應用價值。

[1] Goodman J W. Speckle Phenomena in Optics：Theory and Applications [M]. America：Roberts & Company，2006：125-164.

[2] 徐秋云，李雅男，翟文超，等. 激光散斑去除效果定量分析 [J]. 光電工程，2010，37(5)：32-36.

XU Qiuyun，LI Yanan，ZHAI Wenchao，. Quantitative Analysis of Laser Speckle Removal [J]. Opto-Electronic Engineering，2010，37(5)：32-36.

[3] Kuratomi Y，Sekiya K，Satoh H，. Speckle reduction mechanism in laser rear projection displays using a small moving diffuser [J]. JOSA A(S1084-7529)，2010，27(8)：1812-1817.

[4] OUYANG Guangmin，Akram M N，WANG Kaiying，. Laser speckle reduction based on angular diversity induced by Piezoelectric Benders [J]. Journal of the European Optical Society-rapid Publications(S1990-2573)，2013，8：13025.

[5] Akram M N，TONG Zhaomin，OUYANG Guangmin，. Laser speckle reduction due to spatial and angular diversity introduced by fast scanning micromirror [J]. Applied Optics(S1559-128X)，2010，49(17)：3297-3304.

[6] Riechert F，Bastian G，Lemmer U. Laser speckle reduction via colloidal-dispersion-filled projection screens [J]. Applied Optics(S1559-128X)，2009，48(19)：3742-3749.

[7] Redding B，Allen G，Dufresne E R，. Low-loss high-speed speckle reduction using a colloidal dispersion [J]. Applied Optics(S1559-128X)，2013，52(6)：1168-1172.

[8] Tran T-K-T，Svensen ?，CHEN Xuyuan，. Speckle reduction in laser projection displays through angle and wavelength diversity [J]. Applied Optics(S1559-128X)，2016，55(6)：1267-1274.

[9] Manni J G，Goodman J W. Versatile method for achieving 1% speckle contrast in large-venue laser projection displays using a stationary multimode optical fiber [J]. Optics Express(S1094-4087)，2012，20(10)：11288-11315.

[10] Redding B，Choma M A，CAO Hui. Spatial coherence of random laser emission [J]. Optics Letters(S0146-9592)，2011，36(17)：3404-3406.

[11] Redding B，Choma M A，CAO Hui. Speckle-free laser imaging using random laser illumination [J]. Nature Photonics(S1749-4885)，2012，6(6)：355-359.

[12] Lenstra D，Verbeek B H，Den Boef A J. Coherence collapse in single-mode semiconductor lasers due to optical feedback [J]. IEEE Journal of Quantum Electronics(S0018-9197)，1985，21(6)：674-679.

[13] WANG W M，Boyle W J O，Grattan K T V，. Self-mixing interference in a diode laser：experimental observations and theoretical analysis [J]. Applied Optics(S1559-128X)，1993，32(9)：1551-1558.

[14] De Groot P J. Range-dependent optical feedback effects on the multimode spectrum of laser diodes [J]. Journal of Modern Optics(S0950-0340)，1990，37(7)：1199-1214.

[15] Schunk N，Petermann K. Numerical analysis of the feedback regimes for a single-mode semiconductor laser with external feedback [J]. IEEE Journal of Quantum Electronics(S0018-9197)，1988，24(7)：1242-1247.

[16] Goldberg L，Taylor H F，Dandridge A，. Spectral characteristics of semiconductor lasers with optical feedback [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques(S0018-9480)，1982，30(4)：401-410.

[17] Olsson A，TANG Chungliang. Coherent optical interference effects in external-cavity semiconductor lasers [J]. IEEE Journal of Quantum Electronics(S0018-9197)，1981，17(8)：1320-1323.

[18] Peil M，Fischer I，Els??er W. Spectral broadband dynamics of semiconductor lasers with resonant short cavities [J]. Physical Review A(S1050-2947)，2006，73(2)：023805.

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

國家自然科學基金資助項目(61471263)

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