激光扩束镜设计
基于ZEMAX的激光扩束系统设计开题报告
毕业设计开题报告
学生姓名：学号：
学院、系：
专业：光电信息工程
设计题目：基于ZEMAX的激光扩束系统设计指导教师:
年月日
开题报告填写要求
1．开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。
此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；
2．开题报告内容必须用按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；
3．学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）。
文中应用参考文献处应标出文献序号，文后“参考文献”的书写，应按照国标GB 7714—87《文后参考文献著录规则》的要求书写，不能有随意性；
4．学生的“学号”要写全号（如020*******,为10位数），不能只写最后2位或1位数字；
5. 有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。
如“2004年3月15日”或“2004-03-15”；
6. 指导教师意见和所在专业意见用黑墨水笔工整书写，不得随便涂改或潦草书写。
图1.1 Φ300 HTM激光扩束器
毕业设计开题报告
图2.1 卡塞格林系统
图2.2 格里高利系统
从对上述两种系统的分析可以看出,轴对称的结构形式使它们都存在中心遮拦现象
(b) 离轴的格里高利扩束系统图3.3 离轴反射式扩束系统
毕业设计开题报告。
激光准直扩束设计和仿真
激光准直扩束设计和仿真激光准直扩束是激光器应用中非常重要的一个步骤，主要作用是将激光束聚焦到目标区域或者将激光束展宽以达到特定的要求。
激光准直扩束的设计和仿真是一项复杂而且关键的工作，需要考虑多个因素，包括光学元件的选择、参数的调整以及系统的优化等。
本文将从几个方面进行介绍。
首先，激光准直扩束的设计需要选择合适的光学元件。
常见的光学元件有透镜、棱镜、光栅等，根据具体的需求选择合适的元件非常重要。
比如，如果需要将激光束聚焦到一个小点上，可以选择具有较大的焦距和透镜，或者使用一些特殊形状的透镜来实现更复杂的光束变换。
而如果需要将激光束展宽，可以选择具有较小的焦距和透镜，或者使用一些特殊的棱镜或光栅来实现。
其次，激光准直扩束的设计还需要进行参数的调整。
激光束的准直性和扩束性通常可以通过调整准直角度和扩束角度来实现。
准直角度是指入射光束与出射光束之间的夹角，过大或者过小的准直角度都会导致光束的偏离。
扩束角度是指入射光束的展宽程度，过大或者过小的扩束角度都会导致光束的失焦。
因此，通过合理的参数调整可以达到最优的准直扩束效果。
最后，激光准直扩束的设计还需要进行系统的优化。
在设计过程中，需要综合考虑各种因素，如光学元件的质量、激光束的功率损耗、光学系统的稳定性等。
这就需要通过仿真软件对光学系统进行模拟和分析，以评估系统的性能和优化系统的设计。
常用的光学仿真软件有ZEMAX、CODEV 等，通过这些软件可以对激光准直扩束进行精确的模拟和分析，为系统的实际制造提供参考。
总结起来，激光准直扩束的设计和仿真是一项复杂而且关键的工作，需要综合考虑多个因素。
通过选择合适的光学元件、调整参数和优化系统设计可以实现最优的准直扩束效果。
同时，借助光学仿真软件可以对光学系统进行精确的模拟和分析，提高系统设计的效率和准确度。
激光扩束望远镜的光学设计
激光扩束望远镜的光学设计
樊丽娜;朱爱敏;刘琳;吴泉英
【期刊名称】《红外》
【年(卷),期】2007(28)8
【摘要】介绍激光扩束原理,阐述望远镜系统扩展高斯光束的规律.通过分析不同激光扩束望远镜系统的特性,选用卡塞格林系统来实现强脉冲激光发射系统的设计要求,设计结果不仅满足准直性要求,并且在目标距离处的光斑大小具有一定的可调节性.
【总页数】3页(P20-22)
【作者】樊丽娜;朱爱敏;刘琳;吴泉英
【作者单位】苏州科技学院基础实验教学中心,苏州,215009;苏州科技学院基础实验教学中心,苏州,215009;苏州大学物理科学与技术学院,苏州,215006;苏州科技学院基础实验教学中心,苏州,215009
【正文语种】中文
【中图分类】TN249
【相关文献】
1.激光扩束望远镜的失调与扩束比 [J], 程洁;吕百达
2.高倍率激光扩束望远镜的光学设计 [J], 赵鑫
3.基于激光目标指示的红外扩束光学系统设计 [J], 李玉瑶;徐子奇
4.大视场反射式激光扩束系统光学设计 [J], 衣同胜;吴从均;颜昌翔;于平
5.变焦系统的光学设计
——以"可变倍激光扩束系统的设计和优化"为例 [J], 杨欢
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激光准直扩束设计和仿真
θ' 1 2
ω2' 2 = 2 2 1+( πω2' ) 1f 2 πω 0 '
)
2
2 πω 2 ] λf 2 2 λf2 (1+( ) ) πω0' 2
（6 ）
所以 ω0 "= λf 2 f f = 2 ω= 2 ω0 πω0' f1 f1
增大出射光束的腰粗， 就可以缩小光束的发散角； 同时增
Equipment Manufactring Technology No.3， 2009
激光准直扩束设计和仿真
李建新
（武汉软件工程职业学院光电子与通信工程系， 湖北 武汉 430205 ）
摘要： 从哈特曼法自动测量像差所需解决的准直 （平行） 光束出发， 基于高斯光学理论， 从工程角度分析了大倍率准直扩束系统的原 理， 实现了改变激光光束直径和发散角的准直扩束系统的设计， 并通过仿真得到了验证， 满足了光学系统的哈特曼像差测量要求。 关键词： 光学测量； 激光器； 准直扩束 中图分类号： TP 274 +.5 文献标识码： A 文章编号： 1672- 545X （2009） 03- 0028- 04
图 5 短焦距 f1 改变时仿真
tmp1=bl.*s/(pi*W0*W0); W=W0.*sqrt(1+tmp1.*tmp1); 由公式 （4 ） 入射光束在镜面 处的截面计算 W01=(bl*f1/pi)./W; W011=(f2/f1).*W; ksb=W011/W0; Q11=(bl/pi)./W011; subplot(4,1,1),plot(s,W01); xlabel(' 物距 s'),ylabel(' ω0’ '); subplot(4,1,2),plot(s,W011); xlabel(' 物距 s'),ylabel(' ω0” '); subplot(4,1,3),plot(s,ksb); xlabel(' 物距 s'),ylabel(' 压缩或扩束比 '); 由公式 （7 ） 的计算 ω0 ' 计算 ω0 " 扩束倍率或准直光束压缩比
光学设计实例-双胶合透镜非球面单透镜激光扩束镜
8次系数，所得结果存在高级彗差，再改初值（半径和Conic）产生反向初级彗差与
之平衡，再重复上述过程。
4
优化实例（3） ：优化结果
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优化实例（3）
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优化实例（3）
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优化实例（3）
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主要内容
• 光学设计软件ZEMAX简介 • 优化实例
1-单透镜 2-双胶合透镜 3-非球面单透镜 4-激光扩束镜 5-显微镜物镜 6-双高斯照相物镜
3
2
优化实例（2） --优化结果
3
优化实例（3）
非球面单透镜：f’=60，D/f’=1:1, 2 =±1°
利用非球面可以准确校正球差，透镜弯曲可校正彗差， 形成大孔径小视场光学系统。 简单采用Default merit Function做优化，一般得不到结果，为此先通过AnalysisAberration coefficients-Seidel coefficients, 即初级像差计算得到适当的校正S2的半
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实例4 激光扩束镜的设计
消色差设计结果
工作波长1053nm下的像质
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实例4 激光扩束镜的设计
补偿镜设计结果
工作波长1053nm下的像质
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实例4 激光扩束镜的设计
补偿镜设计结果
检验波长632.8nm下的像质
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• 公差计算
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实例4 激光扩束镜的设计
目的 工作波长与检验波长不同时，如何设计补偿光路以完 成系统检验。 方法
1）消色差设计：使光学系统在工作波长与检验波长下的位置重合 优点：最佳选择，但有时不一定能设计出来，或使系统复杂化。 2）加平行平板：在工作波长下完成设计后，在两个镜组之间加入一 块适当厚度的平板，使其在检验波长下的像质优于衍射极限。 优点：结构简单，易操作。 因为平板可以放在任何地方，检验光路的像质与平板距前 后镜组的距离无关。 3）加补偿透镜：在工作波长下完成设计后，在准直（大口径）镜组 外侧加入一块适当结构的透镜，使其在检验波长下的像质优于衍 射极限。 不足：透补偿镜与准直镜组的距离、同心度会影响检验光路的 像质。 4）检验合格后，拿掉补偿镜即达到在工作波长满足要求的光学系统。
扩束镜的原理及应用
扩束镜的原理及应用1. 引言扩束镜是一种光学器件，它通过合理设计的光学透镜系统，可以将发散光束聚焦成平行光束或收敛光束。
扩束镜具有广泛的应用领域，包括激光器、光纤通信、医疗器械等。
本文将介绍扩束镜的原理和一些常见的应用。
2. 扩束镜的原理扩束镜的原理基于凸透镜的折射原理和光具系统的成像原理。
当光线从空气进入玻璃等折射率较大的介质时，会发生折射现象。
凸透镜的形状可以使得光线在透镜内部发生折射后会收敛或者聚焦到一个特定的焦点上。
扩束镜通常由一个凸透镜和一个凹透镜组成。
凸透镜负责将发散光束聚焦，而凹透镜负责将聚焦光束再次扩散为平行光束。
扩束镜的原理可以用以下步骤来解释： - 发散光束进入扩束镜系统时，凸透镜对光线进行折射，使光线向中心聚焦。
- 凹透镜接收凸透镜的聚焦光束，并使光束再次扩散为平行光束。
3. 扩束镜的应用3.1 激光器扩束镜在激光器系统中起着重要作用。
激光器发出的激光光束通常是发散的，而应用领域中往往需要平行光束或收敛光束。
扩束镜可以将发散的激光光束聚焦成平行光束，使得激光能够更好地传输和利用。
3.2 光纤通信光纤通信是一种通过光纤传输信息的技术，而光纤传输中的光束也需要扩束镜进行调整。
扩束镜可以将从光纤中发出的发散光束聚焦成平行光束，从而提高光纤通信的传输效率。
3.3 医疗器械在医疗器械中，使用光学技术进行诊断和治疗已经成为常见的方法。
扩束镜可以在医疗器械中起到对光束进行聚焦或扩散的作用。
例如，在激光手术中，扩束镜可以将激光光束聚焦到需要治疗的部位，从而实现精确的治疗。
3.4 显微镜显微镜是生物学、物理学等领域中常用的实验设备，它可以放大微小的物体或样本。
在显微镜中，扩束镜可以用于调整光路，以获得清晰的视野和高分辨率的图像。
3.5 摄影和摄像在摄影和摄像领域，扩束镜可以用于对光线进行调整，以获得所需的拍摄效果。
例如，在望远镜中，扩束镜可以将远处物体的发散光束聚焦成平行光束，使得观察者能够得到清晰的图像。
激光扩束镜结构
激光扩束镜结构激光扩束镜是一种用于调整激光光束直径的光学元件。
它通常由一个具有一定曲率的球面镜面组成。
激光扩束镜结构的设计和制造对于激光器的性能和应用具有重要影响。
一般而言，激光扩束镜由两个主要部分组成：球面镜面和支撑结构。
球面镜面是调整激光光束直径的关键部分，它通常由光学玻璃或光学晶体制成。
球面镜面的曲率决定了光束扩束的方式，不同的曲率可以实现不同的扩束效果。
支撑结构则是用于固定和支撑球面镜面的部分，它通常由金属或塑料材料制成，具有足够的刚度和稳定性。
在激光扩束镜结构中，球面镜面的形状和曲率是关键因素。
一般来说，球面镜面可以分为凸面镜和凹面镜两种类型。
凸面镜具有正的曲率，可以将激光光束聚焦到一个点上，实现光束的收束。
而凹面镜则具有负的曲率，可以将激光光束扩散开来，实现光束的扩束。
根据需要，激光扩束镜可以选择不同曲率的球面镜面来实现不同的扩束效果。
在激光扩束镜结构中，还可以通过调整球面镜面的位置来进一步调整光束的直径。
通过改变球面镜面与光源之间的距离，可以改变光束的扩束或聚束效果。
例如，将球面镜面与光源距离缩小，可以实现光束的扩束；而将球面镜面与光源距离增大，则可以实现光束的聚束。
除了球面镜面和支撑结构，激光扩束镜结构中还可能包括其他辅助部件，如调节装置和冷却系统等。
调节装置可以用于微调球面镜面的位置和角度，以便实现更精确的光束扩束效果。
冷却系统则可以用于控制激光扩束镜的温度，以确保其稳定性和性能。
激光扩束镜结构是由球面镜面和支撑结构组成的光学元件。
通过调整球面镜面的形状、曲率和位置，激光扩束镜可以实现不同的光束扩束效果。
激光扩束镜的设计和制造对于激光器的性能和应用具有重要影响，因此在实际应用中需要根据具体需求进行选择和优化。
激光扩束镜
新加坡新特光电技术有限公司
BEST-10.6-4ZTLM
4
79.7
31
6
5.75
23
M22x0.75
BEST-10.6-5ZTL
5
95.8
31
8
4.6
23
φ33
BEST-10.6-5ZTLM
5
99.8
31
6
4.6
23
M22x0.75
(3) 高功率二氧化碳激光扩束镜
A: CBE 系列高功率二氧化碳扩束镜
BEST-10.6-5ZL BEST-10.6-5ZLM
5 89.8
31
34
5 89.8
31
6
新加坡新特光电技术有限公司
4.6
23
D33/d25
4.6
23
M22x0.75
（2）可调型扩束镜
可调型扩束镜专为具有较大的发散角度的激光扩束所设计。通过调整扩束镜片间距离，在一定范围内可 以消除发散角度的影响从而获得经扩束的准直性良好的激光束。当入射激光具有较大发散角时，逐渐加 大镜片之间的距离，在一定的位置即可获得准直激光束。
距离测量效果；通过扩束镜能改变光束直径以便用于不同的光学仪器设备；扩束镜配合空间滤光片使用
则可以使非对称光束分布变为对称分布，并使光能量分布更加均匀。
最通用的扩束镜起源于伽利略望远镜，通常包括一个输入负透镜和一个输出正透镜。输入镜将一个
虚焦点光束传送给输出镜，两个透镜是虚共焦结构。一般小于 20 倍的扩束镜都用该原理制造，因为它简
固定型直筒扩束镜：有圆柱连接和螺纹连接两种用的是进口硒化锌材料
型号
BEST-10.6-2Z BEST-10.6-2ZM BEST-10.6-2.5Z BEST-10.6-2.5ZM BEST-10.6-3Z BEST-10.6-3ZM BEST-10.6-4Z BEST-10.6-4ZM BEST-10.6-5Z BEST-10.6-5ZM
扩束镜的原理及应用 (2)
扩束镜的原理及应用1. 扩束镜的定义扩束镜，也称作密接镜，是一种透明的光学镜片，具有凸透镜的形状。
通过它特殊的光学设计，可以将平行光线汇聚到一个焦点上，从而实现光线的聚焦，同时也可将散射的光线聚集起来。
2. 扩束镜的原理扩束镜的原理基于凸透镜折射光线的特性。
凸透镜具有一个中心光轴和两个曲率半径，光线进入凸透镜时，会因折射而改变光线的传播路径。
•当光线从空气射向较密度较高的材料（如玻璃）时，会向凸透镜的中心轴弯曲。
这种折射效应使得光线在通过凸透镜时产生了一个聚焦点，也称作焦点。
•扩束镜的设计使得其曲率半径在中央较小，在边缘较大。
这种设计使得边缘上的光线更弯曲，从而使得凸透镜可以将散射的光线集中到一个焦点上。
•扩束镜的形状和材料的折射率会影响光线的聚焦效果。
凸透镜的曲率半径越小，聚焦能力越强。
折射率越大，凸透镜的聚焦效果也越好。
3. 扩束镜的应用扩束镜在许多领域中有着重要的应用。
下面列举了几个常见的应用领域：3.1 天文学在天文学中，扩束镜被用作望远镜的主要组件之一。
望远镜使用扩束镜来聚焦远距离天体发出的光线，使其能够被观测者清晰地观察到。
扩束镜的设计可以使望远镜具有较高的分辨率和放大倍率，以便研究更遥远的天体。
3.2 激光技术扩束镜也被广泛运用在激光技术中。
激光发射的光线经常需要进行聚焦，以便实现更精确的切割、打印或测量。
扩束镜可用于将激光束聚焦到一个小的点上，从而实现精确的操作。
3.3 照明系统在照明系统中，扩束镜可用于调整光线的发散和聚焦性能。
通过控制光线的聚束效果，照明系统可以提供不同的亮度和照射范围，适应不同场合的需求。
3.4 光学传感器扩束镜在光学传感器中也有广泛应用。
传感器需要捕捉来自特定物体或区域的光信号，扩束镜能够增加传感器接收到的光线强度，并集中到传感器上，提高传感器的灵敏度和精确度。
4. 总结扩束镜以其独特的光学设计，能够将平行光线汇聚到一个焦点上，实现光线的聚焦和集中。
它在天文学、激光技术、照明系统和光学传感器等领域中有着广泛的应用。
激光扩束镜原理与应用讲解
激光扩束镜原理与应用讲解一、激光扩束镜的原理1.透镜：透镜是激光扩束镜的核心部件，通常采用凹透镜。
透镜的功能是改变光线的传播方向，并使光线的角度发生变化。
当光线通过透镜时，透镜会改变光线的传播方向，使光线发生偏折。
2.凸透镜：凸透镜是激光扩束镜中的关键组件，它能够使光线发生折射，并且将光束聚焦到一个点上。
通过调整凸透镜的位置和角度，可以改变光束的直径。
3.透镜支架：透镜支架是用来支撑透镜和凸透镜的结构，使其固定在一定的位置上。
透镜支架通常由金属材料制成，具有较高的稳定性和耐用性。
二、激光扩束镜的应用1.激光加工：在激光加工过程中，激光扩束镜可用于调节激光束的直径，以满足不同加工要求。
通过调整激光束的直径，可以控制激光的能量密度和聚焦效果，从而实现精确加工。
2.激光测量：激光扩束镜可用于激光测距仪、激光测厚仪等激光测量设备中。
通过调整激光束的直径，可以改变激光测量设备的测量范围和精度。
3.激光打印：激光扩束镜常常用于激光打印机中，通过调整激光束的直径，可以控制打印机的打印速度和打印质量。
激光扩束镜还可用于打印机的校准和调试。
4.激光显示：激光扩束镜可用于激光显示器中，通过调整激光束的直径和角度，可以控制激光显示器的显示效果和分辨率。
5.光通信：激光扩束镜也广泛应用于光通信设备中，通过调整激光束的直径和角度，可以改变光通信设备的传输距离和信号强度。
总结：激光扩束镜是一种能够调整光束直径的光学设备，其原理是通过透镜和凸透镜的运用，改变光线的传播方向和角度，从而实现光束的扩束。
激光扩束镜在激光加工、激光测量、激光打印、激光显示和光通信等领域都有广泛的应用。
通过调整激光束的直径和角度，可以实现不同工艺的需求，并能改变光学设备的性能和特性。
光学设计实例(完整版)--zhengliban
p: 优化函数结果，v: 变量；
为了使残余结果的平方和最小(最小二乘法)，对每 个变量联立方程求解；
重复上述过程直至实现最优化。
光学设计人员的任务
1. 获得并考虑技术要求（需求分析）
2. 选择具有代表性的切入点
前期设计、专利、建立联系、原始推导
3. 建立变量和约束
变量包括：曲率半径-r、厚度-d、空气隙-d、玻璃特性-n、 约束可能是相关结构，如长度、半径等，或者是光线角度、F数等具体的参量
约束可能是相关结构如长度半径等或者是光线角度f数等具体的参量使用程序对结果进行优化评价设计结果重复步骤3和4直至满足设计要求如果结果不满足条件通过添加或分离元件变化玻璃种类等来修改设计然后返回步骤4另一种方法是返回步骤2选择的初始结构可能不合理达不到预期要求进行公差分析估计结果误差透镜加工机械结构与装校要求光学设计软件zemax简介优化实例1单透镜2双胶合透镜3非球面单透镜4激光扩束镜5显微镜物镜6双高斯照相物镜公差计算目的1如果初始结构选不好则再简单的系统也难得到好的结果
按Button Opt ，按出dialog box，预定优化次数，即可进行优化，但之前须 规定Merit Function （优化目标函数）及变量。关于变量，将结构数据框作double click，得有关dialog box，就可以将此结构数据作为变量（variable）或改为Fixed 不变。
关于Merit Function，最简单的做法是用程序内的Default Merit Function，通过 下列方法，即可调用适当的Default Merit Function：
所以这里没有计算能量集中度 Enc 及Huygens Point Spread function, 为 能容易完成这类计算，波像差（OPD，不是RMS）宜小于一个波长，否则必须加 大Sampling 点数，增长时间。
一种激光扩束镜换位机构设计
置。
２３ 直 线移 动 台的设 计 ． 直 线 移 动 台选 择 北 京 钧 义 志 诚 科 技 有 限公 司 生 产 的 ５ｍｍ行 程 的直线 移动 台 ， 电机 、 轴 器 、 ０ 由 联 活 动板 、 丝杠 、 轨 组成 ， 滑 丝杠 与 活动 板 通过 螺 纹连 接， 活动 板 安 放 在 滑 轨 上 ， 电机通 过 联 轴 器 与 丝 杠 相连 。 电机通 电时 ， 丝杠 旋 转 带动 活 动板 沿 滑轨 直
ｏ ａ ｄ ｈ ｔｓ ｒｓ ｌ． ｅ ｅｕｔ ｎ ｉａｅ ｔａ ｔ ｉ ｒ ａ ｉａｉｎＳ ｅ ｅ ｔｄ ｏ ｉｏ ｅｒｒ ｓ ｏ ｂｇ ｅ ｔａ １２ ， ａ ｄ ｄ ｎ ｔｅ ｅｔ ｅｕｔＴｈ ｒ ｓ ｌ ｄｃ ｔｓ ｈ ｔ ｈｓ ｇ ｎｚｔ ’ ｉ ｏ ｏ ｒｐ ａｅ ｐ ｓｔ ｎ ｒｏ ｉ ｉ ｎ ｔ ｉｇ ｒ ｈ ｎ ．” ｎ
中２ １志 ・ １ ＝足 ・２
。 一
激光扩束镜 的换位机构 就是完 成活动激 光扩 束 镜 离 开 激 光 发 射 光 路 和 进 入 激 光 发 射 光 路 的机
构 ， 足 重 复定 位 误 差 不 大 于 ５ 的要 求 。设计 中 满 ” 采 用将 活动 扩束 镜 同定在 直 线 移动 台 的活 动板 上 ， 由 电机 带 动 直线 移 动 台 的联 轴器 旋转 ， 而使 移动 从 台的丝 杠 旋 转 ， 时移 动 台 的活 动板 带 着 活动 扩束 这
中 图分 类 号 ：ＴＰ ０ ２３ 文 献标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１７ － ８ ０ （０ ２ ２ ０ １ － ３ ６ ２ ９ ７ ２ １ ）０ － ０ ６ ０
Ｔｒ ｎ ｐｏ ｉ ｏ ｅ ｈａ ｉｍ ｅ ｉｎ ｏ ｓ ｒＢｅ ｍ ｐａ ｄｅ ａ ｓ ｓｔ ｎ Ｍ ｃ ｎ ｓ Ｄ ｓｇ ｆａＬａ ｅ ａ Ｅｘ ｎ ｒ ｉ
变焦系统的光学设计——以“可变倍激光扩束系统的设计和优化”为例
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变焦系统的光学设计
***以& 可变倍激光扩束系统的设计和优化' 为例
杨4欢
延安大学物理与电子信息学院"陕西延安")!(%%%
摘4要"本文的可变倍扩束镜的变焦部分采用三组元的机械补偿式结构!通过参数计算,变焦方程求解以及焦距公式求解相 关参数!利用 PebEY仿真优化!其扩束比为 )27A87A" 在定焦扩束比为 3A的基础上!得到一个入射光口径为 $55!扩束比为 $%A 8)% A的可变倍扩束镜"
激光扩束镜设计
一、激光扩束镜设计一、设计要求：设计一个激光扩束镜，扩束倍数为三倍，入射孔径为3mm，斜入射角1°，同时要求几何尺寸合适。
二、设计思路：１．确定第一面透镜由于激光能量较高，所以光线追迹时，尽量使光束不在镜筒中汇聚，如果采用两面透镜来完成设计，就要保证第一面透镜为凹凸镜，先将光线发散，第二面为凸透镜再将光线汇聚，平行光出射。
２.确定第二面透镜：在第一面透镜后放置凸透镜才能满足对无限远处对焦的要求。
３．几何参数的确定：由于要求几何尺寸合适，不妨将总尺寸设为160mm，由应用光学知识可以计算，则第一面透镜的焦距应该取-80mm，第二面透镜焦距取为240mm，筒长为160mm（也就是两透镜的几何距离）。
4.做到了平行光出射，并扩束三倍的要求后，下一步需要做的便是减少像差，这个里面可以调整的有透镜的材质，在几何尺寸允许的条件下还可以再对相对距离等参数做出微调，以求能调出像差较小的设计。
同时为增加可调自由度，还可以考虑再增加一面或者两面透镜，来达到消像差的目的。
三、设计过程（1）第一面透镜在设计第一面透镜时，先大致利用应用光学知识进行计算，估算透镜两个面的曲率半径，这里，大约可以取R1=-50mm，R2=200，材质使用BK7玻璃。
这时，可以先看看这一面透镜的相关参数，探究下像差与单面透镜的一些参数的关系，这里，发现，当透镜的曲率半径取得越大时，透镜显示的球差和慧差越大，所以，在实验和实际工程中，建议使用曲率合适的透镜。
同样，根据设计思路，这时需要解决的另一个问题便是确定第一面透镜的焦距，这里可以使用SYNOPSYS软件中的edit solves 功能来确定其焦距，最后，经过调试，选择的是R1=-55，R2=150，选用BK7玻璃。
（2）第二面透镜下一步便是确定第二面透镜的相关参数，根据设计思路中的计算，可以知道两面透镜之间的距离，所以需要确定的是透镜在像差比较小的情况下，能使光纤平行出射的焦距，也就是设计思路里面所确定的240mm。
光学设计zemax经典例题
光学设计zemax经典例题
1.单镜片
设计要求：设计一个F/4单镜片，其焦距为100mm，在可见光波段使用，用肖特(Schott) BK7或国产K9玻璃来作。
像差要求：波像差小于100中心波长。
2.双胶合透镜
设计要求：设计一个F/4双胶合透镜，其焦距为100mm，在可见光波段使用，用肖特BK7/ F2或国产K9/F4玻璃组合来实现。
像差要求：对C\D\F三种色光波像差均小于5个波长，焦点弥散斑小于10微米。
3.5X激光扩束镜
设计要求：分别设计两个用于He-Ne(632.8nm)和固体激光器（532nm）的激光扩束镜，扩束倍率5X，入瞳直径3mm，出瞳直径15mm，用同一牌号玻璃完成，镜片尽可能的少，系统总长度小于100mm，入射和出射均为准直平行光。
4.50mm标准镜头
可参照Cooke的三片结构，设计一个F/5焦距50mm的标准镜头，应用于可见光波段。
成像要求：在视场30°内的3种色光的波像差均小于2个波长，MFT大于0.3/30lp,畸变小于1%.
5.放大镜头
可参考双高斯结构（也可选用其他结构），设计一个用于光电检测的放大镜头，物像共扼距140mm，像面CCD尺寸（1024x1024，单个像素为12 m×12 m）,被检测物面为平面矩形（3mm×3mm），使用波长532nm。
成像要求：全视场内MFT大于0.5/40lp, 波像差小于2个波长，畸变小于0.5%.。
简易激光扩束器的设计和制作
简易激光扩束器的设计和制作一实验目的光扩束器是激光雷达、激光测距等光学系统中重要的光学部件，在上述系统中一个优良的光学系统是决定整个系统性能的关键因素之一。
因此，理解和设计出一个良好的扩束器成为一种必要。
然而扩束器对于在实验室内学习的学生而言却显得非常陌生，由于没有现成的仪器，学生仅从理论上学习它，这在一定程度上限制了学生的知识范围。
实验系统的搭建不仅能让学生清楚的理解扩束器的原理，更能让学生自己动手搭建系统，培养了学生理论联系实际，自我动手的能力。
1 扩束镜二实验原理2.2扩束镜原理束镜是能够改变激光光束直径和发散角的透镜组件。
从激光器发出的激光束具有一定的发散角，对于激光加工来说，只有通过扩束镜的调节使激光光束变为准直（平行）光束，才能利用聚焦镜获得细小的高功率密度光斑；在激光测距中，必须通过扩束镜最大限度地改善激光的准直度才能得到理想的远距离测量效果；通过扩束镜能改变光束直径以便用于不同的光学仪器设备；扩束镜配合空间滤光片使用则可以使非对称光束分布变为对称分布，并使光能量分布更加均匀。
图2 扩束镜原理图三实验方案及比较3.1棱镜扩束法于棱镜材料的折射，使出射光方向与入射光方向不同，其入射角与棱镜顶角的变化可以引起光束宽度的改变.棱镜扩束示意图如图1a .每个棱镜的扩束比为D/d=M=（3-1）式中D为出射光的宽度；d为入射光的宽度；M为扩束比；φ为入射角；φ′为折射角；μp是棱镜的折射率。
璃棱镜的μp=1.54.根据现有的数据，d=2mm，D=47mm,则总的扩束比为==23.5（3-2）图3 棱镜扩束系统想用3个棱镜完成扩束比，则每个棱镜的扩束比应为==2.8（3-3）由M=cos［arcsin(sinφ/μp)］/cosφ′=2.8 ，可近似算得φ=81°.折射定律μp=sinφ/sinφ′,可得φ′=53°.在选择棱镜的顶角时，应使得出射光束尽可能垂直于出射面，以使这个出射面反射最小.由几何学可知，应取棱镜顶角ψ＝φ′＝53°.实际的棱镜扩束光路如图1b。
扩束镜参数计算
扩束镜参数计算扩束镜是一种光学元件，常用于激光器、光纤通信等领域，用于改变光束的传播特性。
在设计和使用扩束镜时，需要进行一系列参数计算，以确保其性能和效果。
首先，我们需要计算扩束镜的焦距。
焦距是指光线通过扩束镜后的汇聚或发散程度。
对于凸透镜，焦距可以通过以下公式计算：1/f = (n-1) * (1/R1 - 1/R2)其中，f为焦距，n为透镜的折射率，R1和R2分别为透镜的两个曲率半径。
通过测量透镜的曲率半径和折射率，可以得到焦距的数值。
其次，我们需要计算扩束镜的放大倍数。
放大倍数是指光束经过扩束镜后的尺寸变化比例。
对于凸透镜，放大倍数可以通过以下公式计算：M = -f1/f2其中，M为放大倍数，f1为透镜前的焦距，f2为透镜后的焦距。
通过测量透镜的焦距，可以得到放大倍数的数值。
此外，我们还需要计算扩束镜的光斑尺寸。
光斑尺寸是指光束通过扩束镜后的横截面尺寸。
对于凸透镜，光斑尺寸可以通过以下公式计算：D = 2 * f * tan(θ/2)其中，D为光斑尺寸，f为焦距，θ为光束的发散角度。
通过测量焦距和发散角度，可以得到光斑尺寸的数值。
最后，我们需要计算扩束镜的工作距离。
工作距离是指光束从扩束镜出射到达目标位置的距离。
对于凸透镜，工作距离可以通过以下公式计算：L = f * (1 + 1/M)其中，L为工作距离，f为焦距，M为放大倍数。
通过测量焦距和放大倍数，可以得到工作距离的数值。
综上所述，扩束镜参数的计算涉及焦距、放大倍数、光斑尺寸和工作距离等多个方面。
通过测量透镜的曲率半径、折射率、发散角度等参数，可以得到这些数值，从而确保扩束镜的设计和使用符合要求。
在实际应用中，还需要考虑其他因素，如材料的光学性质、透镜的形状和尺寸等，以进一步优化扩束镜的性能和效果。
基于ZEMAX的激光扩束系统设计开题报告综述
毕业设计开题报告
学生姓名：学号：
学院、系：
专业：光电信息工程
设计题目：基于ZEMAX的激光扩束系统设计指导教师:
年月日
开题报告填写要求
1．开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。
此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；
2．开题报告内容必须用按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；
3．学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）。
文中应用参考文献处应标出文献序号，文后“参考文献”的书写，应按照国标GB 7714—87《文后参考文献著录规则》的要求书写，不能有随意性；
4．学生的“学号”要写全号（如020*******,为10位数），不能只写最后2位或1位数字；
5. 有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。
如“2004年3月15日”或“2004-03-15”；
6. 指导教师意见和所在专业意见用黑墨水笔工整书写，不得随便涂改或潦草书写。
图1.1 Φ300 HTM激光扩束器
毕业设计开题报告
图2.1 卡塞格林系统
图2.2 格里高利系统
从对上述两种系统的分析可以看出,轴对称的结构形式使它们都存在中心遮拦现象
(b) 离轴的格里高利扩束系统图3.3 离轴反射式扩束系统
毕业设计开题报告。
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一、激光扩束镜设计一、设计要求：设计一个激光扩束镜，扩束倍数为三倍，入射孔径为3mm，斜入射角1°，同时要求几何尺寸合适。
二、设计思路：１．确定第一面透镜由于激光能量较高，所以光线追迹时，尽量使光束不在镜筒中汇聚，如果采用两面透镜来完成设计，就要保证第一面透镜为凹凸镜，先将光线发散，第二面为凸透镜再将光线汇聚，平行光出射。
２.确定第二面透镜：在第一面透镜后放置凸透镜才能满足对无限远处对焦的要求。
３．几何参数的确定：由于要求几何尺寸合适，不妨将总尺寸设为160mm，由应用光学知识可以计算，则第一面透镜的焦距应该取-80mm，第二面透镜焦距取为240mm，筒长为160mm（也就是两透镜的几何距离）。
4.做到了平行光出射，并扩束三倍的要求后，下一步需要做的便是减少像差，这个里面可以调整的有透镜的材质，在几何尺寸允许的条件下还可以再对相对距离等参数做出微调，以求能调出像差较小的设计。
同时为增加可调自由度，还可以考虑再增加一面或者两面透镜，来达到消像差的目的。
三、设计过程（1）第一面透镜在设计第一面透镜时，先大致利用应用光学知识进行计算，估算透镜两个面的曲率半径，这里，大约可以取R1=-50mm，R2=200，材质使用BK7玻璃。
这时，可以先看看这一面透镜的相关参数，探究下像差与单面透镜的一些参数的关系，这里，发现，当透镜的曲率半径取得越大时，透镜显示的球差和慧差越大，所以，在实验和实际工程中，建议使用曲率合适的透镜。
同样，根据设计思路，这时需要解决的另一个问题便是确定第一面透镜的焦距，这里可以使用SYNOPSYS软件中的edit solves 功能来确定其焦距，最后，经过调试，选择的是R1=-55，R2=150，选用BK7玻璃。
（2）第二面透镜下一步便是确定第二面透镜的相关参数，根据设计思路中的计算，可以知道两面透镜之间的距离，所以需要确定的是透镜在像差比较小的情况下，能使光纤平行出射的焦距，也就是设计思路里面所确定的240mm。
这时，如何能确定出合适的参数便是需要解决的问题，这里所选用的方法还是利用SYNOPSYS软件中的edit solves 功能，这时，透镜组合应该对无穷远处聚焦，也就是这个值要尽量大。
但在实践中，手动调节这个值并不是十分容易，但是软件的自动优化功能可以帮忙完成部分任务。
这是第一组还没有进行优化的数据，下面启动优化功能。
在选择优化参量时，需要注意，这时仍要遵循设计思路里面的原则，第一面透镜的相关参数和两透镜之间的距离是不能进行修改的，这也是本设计思路的局限性所在，同时，也说明在设计第一面透镜时，需要相当的经验，去配合第二面透镜，来减小像差。
自动优化过后这时，这个焦距做的已经比较大，而且，时间证明，当焦距做得太大时，像差会与之成正相关。
以下是像差：当工程中对像差要求比对焦距要求高时，在优化的过程中，可以对不同参量选取不同的权重，这样，就可以得到相关性较好的数据。
焦距与像差的关系实验，具体的相关实验过程便不在此报告中详述，这里选取的是多次实践后得到的折中后较好的数据。
四、设计反思（1）在光学设计中，设计思路是整个设计过程中的灵魂，所以，在设计前，磨刀不误砍柴工，可以先思考出合适的设计思路，后面就会遇到更少的麻烦。
（2）在设计过程中，使用自动优化时，一定要确定好可以优化的量，而且，对于经验欠缺的初学者来说，每次优化的参量尽量少，这样，得出的结果不至于差之千里。
（3）对于此实验，最容易想到的是使用凹凸镜加凸透镜的两面透镜方法，但是也可以增加一面或者两面透镜，例如，若增加一面透镜，可以使前两面透镜组成一面凹凸镜，再调整好距离，加上另一凹凸镜，这样，在优化的时候，可以有更多选择余地，但此实验中，经实践发现这条思路，设计出的结构效果并不比两面透镜更好多少，在报告中，便不作多的描述。
优化后的系统及其各项参数如下图：系统焦距55.000mm，半孔径12.000mm，三级球差和彗差均小于E-10数量级，满足设计要求。
系统总长约为35mm，聚焦点位于系统最后镜面后28.6mm处，实际可用。
三、分析总结设计此聚焦镜主要基于第一片焦距55mm的凸透镜和软件的自动优化功能。
首先，要给出一片焦距55mm的凸透镜是容易的，利用BK7玻璃的折射率和应用光学的知识很容易估算出透镜的形状。
另外，考虑到透镜薄一些可减小像差，所以新添加透镜时均将其厚度定为6mm，同时也可以减少优化变量。
接下来，添加透镜矫正像差时，用两片透镜是因为这样比一片透镜的优化效果更好，并且可以减小整个系统的长度。
初始时用平行玻璃平板代替，因为这样对系统焦距的影响较小，在进行自动优化时，不会使系统产生很大的变化，改变系统结构。
最后，进行自动优化时，由于系统焦距已接近要求值，像差也在第一片透镜给出时，提前进行了优化，所以优化时系统不会有太大变动，可以不必限制大部分变量变化范围，只约束透镜厚度即可，而优化结果也说明这种方法可三、非序列设计实践一、设计内容将已经设计的激光聚焦镜与光纤耦合，要求传出光纤的光线均匀。
二、设计思路由于聚焦镜已经定型，主要的可调变量就是光纤的位置、角度，形状等。
三、设计过程1、微调光纤入射端面和激光焦点的轴向距离：（1）．当轴向距离0时，这时，这个光线出来并不是太均匀。
（2）.当轴向距离为0.5mm时，这时光线在光纤端面之前汇聚。
Figure1 Figure2这个光线均匀度比上一个更不理想。
（3）.当轴向距离为-0.5mm时，结论：可以发现在光纤水平，聚焦点在轴向的情况下，这个聚焦点与光纤端面的距离对于出光均匀性影响不大。
2、微调聚光线聚焦点在X轴上的位置。
（1）、当X=0时，即在光纤轴向位置，其图像几乎同上，不做多的讨论。
（2）、当X=0.25时跟Figure1比较，发现，这个变化还是非常显著的。
（3）、当X=0.5时，Figure3 Figure2 Figure5 Figure6Figure7Figure8进一步增大x值时，发现中间部分开始变平，当X=1时，光线能量又在某个区域集中。
因此较为合适的位置为X=0.75。
下步可以考虑下调节Y值。
3、调节聚焦点在y轴上的位置：（1）.y=0.5，x=0.75时；同上图比较，发现光线能量更加发散。
进一步增大y值。
（2）.y=0.75，X=0.75时，分析图形后没发现光线在两端集中，图形就不一一列举了，经过一系列改进，发现x=0.6、y=0.6时，其光强分布比较均匀。
4、调节光线入射角度（1）、当tilt about x 为30度，x=0、y=0时，这时，有可能是聚焦点位置的影响。
下一步确认这个问题。
（2）、当tilt about x 为30，x=0.6，y=0.6时，发现此时光强分布趋于均匀，所以下步应该改变tilt about x （3）、tilt about x改为15 时，x=0.6，y=0.6，其图形如下，这时发现，光线能量均匀度进一步加强。
因此可以推断，tilt about x 对光强空间分布影响还比较大的，经过多次实践，最后发现tilt about x 为14时，这个值比较合适。
4.调整波导类型常用的为圆柱体的光纤作为波导，但是在实验中，我们也可以选择截面为三角形的光纤，根据电磁波的波导理论，我们可以介质的物理性质是会影响到光线的传输的。
在此，因为没有实际的工程意义（生活中的光纤是圆的），故仅仅提供一种思路。
四、设计总结与反思（1）在这个设计实践中，需要掌握的是一种探究结果与变量之间对应关系的一种方法，本实验中，采用的是变量控制法，单一研究每个变量对于结果的影响。
（2）同时，需要指出的是，这里使用的是控制变量法，每次只改变了一个变量，所以无法考虑位置角度的公共作用效果，所以，这中方法是很有局限性的。
但是从目的性来讲，这里只粗略研究各个因素的影响结果，积累部分经验。
（3）实践中，每次改变了一个变量，多次调试后，得到此次调试的最佳结果，但这并不意味着当调试完所有的变量时，此时得到的是最好的结果，因为无法得到其综合影响。
从这个角度讲，光学设计是一个很要求经验的工作。
优化后的系统及其各项参数如下图：系统焦距55.000mm，半孔径12.000mm，三级球差和彗差均小于E-10数量级，满足设计要求。
系统总长约为35mm，聚焦点位于系统最后镜面后28.6mm处，实际可用。
三、分析总结设计此聚焦镜主要基于第一片焦距55mm的凸透镜和软件的自动优化功能。
首先，要给出一片焦距55mm的凸透镜是容易的，利用BK7玻璃的折射率和应用光学的知识很容易估算出透镜的形状。
另外，考虑到透镜薄一些可减小像差，所以新添加透镜时均将其厚度定为6mm，同时也可以减少优化变量。
接下来，添加透镜矫正像差时，用两片透镜是因为这样比一片透镜的优化效果更好，并且可以减小整个系统的长度。
初始时用平行玻璃平板代替，因为这样对系统焦距的影响较小，在进行自动优化时，不会使系统产生很大的变化，改变系统结构。
最后，进行自动优化时，由于系统焦距已接近要求值，像差也在第一片透镜给出时，提前进行了优化，所以优化时系统不会有太大变动，可以不必限制大部分变量变化范围，只约束透镜厚度即可，而优化结果也说明这种方法可三、非序列设计实践一、设计内容将已经设计的激光聚焦镜与光纤耦合，要求传出光纤的光线均匀。
二、设计思路由于聚焦镜已经定型，主要的可调变量就是光纤的位置、角度，形状等。
三、设计过程1、微调光纤入射端面和激光焦点的轴向距离：（1）．当轴向距离0时，这时，这个光线出来并不是太均匀。
（2）.当轴向距离为0.5mm时，这时光线在光纤端面之前汇聚。
Figure1 Figure2这个光线均匀度比上一个更不理想。
（3）.当轴向距离为-0.5mm时，结论：可以发现在光纤水平，聚焦点在轴向的情况下，这个聚焦点与光纤端面的距离对于出光均匀性影响不大。
2、微调聚光线聚焦点在X轴上的位置。
（1）、当X=0时，即在光纤轴向位置，其图像几乎同上，不做多的讨论。
（2）、当X=0.25时跟Figure1比较，发现，这个变化还是非常显著的。
（3）、当X=0.5时，Figure3 Figure2 Figure5Figure6Figure7Figure8进一步增大x值时，发现中间部分开始变平，当X=1时，光线能量又在某个区域集中。
因此较为合适的位置为X=0.75。
下步可以考虑下调节Y值。
3、调节聚焦点在y轴上的位置：（1）.y=0.5，x=0.75时；同上图比较，发现光线能量更加发散。
进一步增大y值。
（2）.y=0.75，X=0.75时，分析图形后没发现光线在两端集中，图形就不一一列举了，经过一系列改进，发现x=0.6、y=0.6时，其光强分布比较均匀。
4、调节光线入射角度（1）、当tilt about x 为30度，x=0、y=0时，这时，有可能是聚焦点位置的影响。