西北工业大学空天微纳系统教育部重点实验室的黎永前教授团队，在激光二极管阵列多光束整形与单片集成光场调控方面取得新进展。相关研究成果以 “Multibeam Shaping of Laser Diode Arrays via Phase-Functional Decomposition for Monolithic Integration” 发表在国际期刊ACS Photonics。该工作围绕激光二极管阵列光源在高亮度激光投影、三维传感和激光加工等应用中的多光束整形难题，提出了一种基于相位功能分解的集成化多功能光学元件设计方法，实现了阵列多通道光束的传播方向校正、能量重分布和空间合束，为紧凑型、高集成度多光束光场调控系统提供了新的技术路径。论文采用一片DOE光学元件，期望代替透镜、扩束镜、复眼透镜等5片透镜的功能，光学效率期望达到80%以上。该设计方法在衍射光学元件设计中得到验证，也可拓展应用至超构表面光学元件设计中。
激光二极管（LD）阵列因功率可扩展、亮度高、结构紧凑，已成为激光投影、工业加工、车载3D传感及AR/VR光引擎的核心光源。但其多通道非共轴特性——即各子光束在空间位置、传播方向和发散角上存在显著差异——导致光斑无法重合、匀化与聚焦，无法直接得到尺寸可控、均匀清晰的目标光场。
为突破激光二极管阵列多光束协同调控的技术瓶颈，西北工业大学空天微纳系统教育部重点实验室黎永前教授团队在单片集成多光束整形方向取得重要进展。相关成果以 “Multibeam Shaping of Laser Diode Arrays via Phase-Functional Decomposition for Monolithic Integration” 为题发表于国际光子学领域权威期刊 《ACS Photonics》。西北工业大学机电学院王建旭博士是论文第一作者。
该工作面向高亮度激光投影显示、车载三维传感及精密激光加工等对光源紧凑性、稳定性和能效比要求严苛的应用场景，针对LD阵列固有的空间离散性、角度非共轴性与发散差异性三大挑战，提出一种基于相位功能解耦的衍射光学元件（DOE）设计方法。该方法将复杂多光束调控任务——包括各子光束的传播方向校正、发散角补偿、能量重分布与目标平面空间合束——统一编码至衍射器件中，成功实现多通道光束在远场的高保真重合与均匀化光斑生成。论文采用一片DOE光学元件，期望代替透镜、扩束镜、复眼透镜等5片透镜的功能，实现集成化多功能光学元件，促进激光二极管阵列光源走向紧凑化与智能化。
该设计范式显著简化了传统多级光学系统，为发展芯片级集成、低损耗、可批量制造的多功能光场调控器件提供了新路径，对推动激光阵列光源向微型化、智能化和系统级单片集成演进具有重要意义。
图1. 面向多通道阵列光束的多功能集成整形方法示意图。图中展示了激光二极管阵列发出的多通道光束经过单片 DOE调控后，在像面形成重合目标光斑的整体系统。
图2. 相位功能分解方法原理。图中展示了校正相位、强度重分布相位和空间合束相位的功能分解及其线性叠加过程。
图3. RGB 多通道阵列光源整形实验结果。图中展示了RGB多通道实验系统、DOE表面结构以及红、绿、蓝三色通道的矩形复合光斑。
研究团队开展了多光束平顶图案整形实验。实验验证表明：所制备DOE成功实现圆形、三角形、矩形三种平顶光斑的多光束整形、532 nm光源的光学效率达到80%以上；复合光斑均匀性好、边缘清晰。相比传统多级光学系统，该方法显著减少光学元件数量，降低体积与装调难度。
研究团队提出的这种设计方法可拓展应用至超构表面光学，应用至VCSEL阵列、多芯光纤激光器、多通道SLM系统等平台，结合高精度微纳加工与智能优化算法，在激光投影、3D传感、精密加工及集成光子芯片等领域具有广泛应用前景。
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