基于PPMgOLN绿光微片激光器的散斑抑制

韩 啸，缪 龙，周 煌，冯新凯，邹小林，陈怀熹，宋国才，梁万国

(1.长春理工大学光电工程学院，吉林 长春130022;2.中国科学院福建物质结构研究所，福建 福州350002)

1 引言

激光投影显示主要由三基色激光光源分别经过扩束、准直、整形匀光、消散斑后入射到图像显示模块上经调制后通过X棱镜合色入射到投影物镜，最后经投影物镜投射到屏幕上，得到激光显示图像。目前，在三种基色的LD中，绿光LD技术还不够成熟。本文所使用的PPLN绿光微片激光器是我们自主研发的［1］，具有转换效率高，结构紧凑，易于集成等优势，能很好地适合微型激光投影仪的使用要求。在激光显示产业高速发展的今天，激光散斑的问题是亟需解决的问题，它严重影响了屏幕成像的质量，导致图像的清晰度和对比度都有所下降。目前抑制激光散斑主要是通过降低光源相干性、旋转随机位相片、振动多模光纤、使用动态投影屏幕等方法［2－10］。其中利用多模光纤的方案，由于其操作方法简单，容易实现应用，所以得到了广泛的使用。在已有的振动多模光纤的方案中，消散斑效果比较明显。在此基础上，提出了一种通过改变光纤长度的新方案来进行优化，使得消散斑的效果有所提升。这种方法不仅比较容易实现，且结合振动不同长度的多模光纤使得抑制散斑的结果更加符合实际的应用要求。

2 理论分析

在激光投影显示系统中，由于激光光源的单色性好、相干长度较大，屏幕表面粗糙的原因，导致激光投影系统的各个光学表面产生干涉效应，形成了大量的背景杂散干涉条纹和散斑噪声［11］。利用振动多模光纤来抑制散斑，其方法是在屏幕上产生变化的动态散斑，多组散斑图样叠加，产生“沸腾”效果，从而实现散斑的抑制。本文利用多模光纤模间色散来实现散斑的抑制［12］。光纤色散特性包括材料色散、波导色散、模间色散，而这些影响因素中，在我们使用的光源经过光纤后，只有模间色散能把对比度降低到可使用的范围。通常阶跃折射率光纤的模间色散要远大于渐变折射率光纤。对于阶跃折射率光纤的长度比模式耦合长度(Lc)大得多的情况，由模间色散导致的时间脉冲展宽表示为［12］:

其中，δτ为沿着光纤传播的最先和最迟到达光纤末端的两部分光的时间差;L为光纤长度;n1为光纤纤芯及包层折射率;c为真空中的光速，NA=n1(2Δ)0.5为光纤数值孔径。为了减少传播过程中的损耗，并且使多模光纤的长度可控制，实验中选用的光纤长度要比光纤模式耦合长度(Lc)短得多。

对于玻璃光纤，其模式耦合长度Lc在500 m左右［13］，实验所使用的光纤长度都远远小于这个值。根据式(1)及文献［12］，对于相同类型的光纤，其他因素一致，长度越长，由于模式色散造成的时间脉冲展宽效果越显著，对于散斑的抑制效果越明显。

实验中所选择的光纤最大长度在10 m。

3 实验装置

3.1 绿光激光光源

如图1所示为本文散斑实验所使用的绿光激光器的结构原理图。该激光器为光胶微片激光器，其中倍频晶体采用PPMgOLN，PPMgOLN晶体与KTP晶体的综合性能十分接近，并且比LBO晶体的综合性能高50多倍，然而，KTP晶体的灰迹效应限制了它的广泛使用，因而PPMgOLN晶体是绿光光源中制作倍频器件的最佳选择［1］。

3.2 光纤振动平台

图2是利用不同长度的光纤抑制散斑的光路图。绿光微片激光器发出的光，通过短焦距透镜(len)耦合进不同长度的光纤，从光纤出射光经过透镜准直后投射到复眼透镜上，经复眼透镜匀光后，投射在白色打印纸的屏幕上成像。

图1 激光器实验装置图［1］Fig.1 Schematic of experimental setup of laser

图2 不同长度光纤抑制散斑的实验光路图Fig.2 Experimental setup for speckle suppression via the fiber of different length

4 实验结果与分析

如图2所示，在实验中使用的是0.7～10 m的5种不同长度的105μm芯径多模光纤，NA为0.22。把经过复眼后的功率控制在200 mW，根据CCD成像效果，把成像镜头F数定为8。在屏幕上成像区域为10.5 cm×15.5 cm。为了准确测试散斑图像对比度，待投射到白纸上的图像稳定后，再由CCD拍摄采集屏幕上的图像。拍摄后的图像由Matlab图像分析软件进行散斑对比度分析。

4.1 光纤长度对图像质量的影响

图3为不同多模光纤长度下，光纤静止时，CCD拍到的图像。从图中可以看出来在多模光纤不振动的状态下，光纤长度对散斑对比度的影响情况。光纤长度越大，图像中的散斑颗粒越少，图像越清晰。

图3 不同长度光纤不振动状态下得到的散斑图像Fig.3 Speckle image of the fiber(without vibrating)via different length

4.2 不同光纤长度的基础上结合振动光纤对图像的影响

图4 为在不同光纤长度的基础上添加了振动光纤装置得到的实验图片。从图中可以看出在不同长度光纤下添加振动装置，抑制散斑效果变得更加明显。

图4 不同长度光纤振动状态下得到的散斑图像Fig.4 Speckle image of the fiber(vibrating)via different length

4.3 不同光纤长度与结合振动后的实验数据

利用Matlab软件分析拍摄得到的图像散斑对比度C，数据如表1所示。从数据生成的C－L趋势图5以及图像的光强度分布图6、图7，很好地说明了在增加光纤长度以后，屏幕上图像的激光强度分布波动范围变小，对应散斑对比度的有效减小。

表1 不同光纤长度下的散斑对比度CTab.1 The speckle contrast C of different lengths of fiber

图5 光纤在不振动和振动状态下对比度C和光纤长度L的关系Fig.5 Speckle contrast of the fiber vs fiber length without vibrating and with vibrating

图6 光纤长度在0.7 m时，不振动和振动条件时屏幕上的强度分布图Fig.6 Intensity distribution map of the fiber without vibrating and with vibrating when length is 0．7 m

图7 光纤长度在10 m时，不振动和振动条件时屏幕上的强度分布图Fig.7 Intensity distribution map of the fiber without vibrating and with vibrating when length is 10 m

由实验数据可以发现，在不振动时，当我们将光纤由0.7 m增加到10 m，散斑对比度由7.722%降低到5.4%左右，并没有达到人眼观察要求的5%以下。如图5所示，在测量完光纤长度增加对减弱对比度的趋势后，又通过加入振动光纤的方法，使得散斑对比度降低至4.691%，达到人眼观察的要求。由文献［13］可知，所使用的光纤的模式耦合长度Lc在500 m左右，所以所选的长度远远小于这个值。通过增加光纤的长度L，从而增加光纤中不同路径传播光束的光程差ΔL，破坏了激光整体的时间相干性，同时模式色散造成的时间脉冲展宽效果越变得更显著，以此达到降低散斑对比度的实验目的。实验数据说明，在使用多模光纤的方法来降低激光散斑对比度时，满足光纤的长度小于光纤本身的耦合长度Lc的条件下，适当的增加光纤长度，可以有效的降低散斑对比度。

5 总结

本文利用自主研发的基于PPMgOLN晶体的高效紧凑型微片绿光激光器作为激光光源，提出了一种将激光耦合入多模光纤后，利用改变多模光纤长度并结合振动光纤的方法来抑制散斑的方法，成功的将散斑对比度降低到4.7%左右，满足视觉的要求。下一步将在此基础上，对光纤的长度以及更多不同类型的多模光纤进行优化，同时结合其他消散斑的方法，争取未来在激光微型投影仪中取得理想的消散斑效果。

［1］ ZHOU Huang，ZOU Xiaolin，LIANG Wanguo，et al．Intracavity frequency-doubled microchip laser based on PPMgOLN［J］．Acta Optica Sinica，2013，33(s1):s114010．(in Chinese)周煌，邹小林，梁万国，等．基于PPMgOLN的内腔倍频微片激光器［J］．光学学报，2013，33(s1):s114010．

［2］ H Ambar，Y Aoki，N Takai，et al．Mechanism of speckle reduction in laser-microscope images using a rotating optical fiber［J］．Appl．Phys．B，1985，38:71－78．

［3］ Woosung Ha，Sejin Lee，Yongmin Jung，et al．Acousto-optic control of speckle contrast in multimode fibers with a cylindrical piezoelectric transducer oscillating in the radial direction［J］．Optics Express，2009，17(20):17536－17546．

［4］ Sung Chul Shin，Sin Sung Yoo，Sang Yeon Lee，et al．Removal of hot spot speckle on laser projection screen using both the running screen and the rotating diffuser［J］．Displays，2006，27:91－96．

［5］ Shigeo Kubota，Joseph W．Goodman very efficient speckle contrast reduction realized by moving diffuser device［J］．Applied Optics，2010，49(23):4385－4391．

［6］ Sigbjrn Vindenes Egge，M Nadeem Akram，Vladimir Kartashov，et al．Sinusoidal rotating grating for speckle reduction in laser projectors:feasibility study［J］．Optical Engineering，2011，50(8):083202．

［7］ Dalip Singh Mehta，Dinesh N Naik，Rakesh Kumar Singh，et al．Laser speckle reduction by multimode optical fiber bundle with combined temporal，spatial，and angular diversity［J］．Applied Optics，2012，51(12):1894－1904．

［8］ HAO Li，ZHANG Yue，LIU Weiqi，et al．Speckle suppression in laser display［J］．Laser＆Infrared，2006，36(10):927－930．(in Chinese)郝丽，张岳，刘伟奇，等．激光显示中散斑的抑制［J］．激光与红外，2006，36(10):927－930．

［9］ SUN Rong，LUO Zhenkun，ZHAO Yingxue，et al．Study of two methods to average the laser energy based on speckle interferometry［J］．Laser＆Infrared，2010，40(5):455－458．(in Chinese)孙嵘，罗振坤，赵映雪，等．两种激光散斑均化方法研究［J］．激光与红外，2010，40(5):455－458．

［10］JIANG Lihui，ZHAO Chunhui，WANGQi．Study and comparison of speckle noise suppressing algorithms［J］．Laser＆Infrared，2002，32(6):431－434．(in Chinese)蒋立辉，赵春晖，王骐．散斑噪声抑制算法比较研究［J］．激光与红外，2002，32(6):431－434．

［11］WANG Lijuan．The analysis of speckle reduction by the vibrating fiber and related problems［D］．Fuzhou:Fujian Normal University，2011，1－65．(in Chinese)王丽娟．利用振动光纤减弱激光散斑及其相关问题的研究［D］．福州:福建师范大学，2011，1－65．

［12］Jeffrey G Manni，Joseph W．Goodman Versatile method for achieving 1% speckle contrast in large-venue laser projection displays using a stationary multimode optical fiber［J］．Optics Express，2012，20(10):11289－11315．

［13］SSavovic'，A Djordjevich．Optical power flow in plasticclad silica fibers［J］．Applied Optics，2002，41(36):7588－7591．