激光扩束系统设计
一种激光连续变倍准直扩束系统的设计
一种激光连续变倍准直扩束系统的设计黄耀林;王敏;寇远凤【摘要】介绍了国内外激光扩束系统的研究现状,阐述了低倍率扩束系统设计原理,选用没有内部焦点的倒置伽利略式望远镜系统结构设计了一个无焦变倍的激光扩束准直系统.在Zemax软件中实现变倍扩束系统初始结构的设计,基于Zemax的REAY优化函数对光学系统中透镜的曲率半径和间距进行优化,实现5～25倍的连续变倍激光扩束.不同倍率下的波像差最大均方根值均小于λ/40,设计结果满足像质要求.经工艺分析,该设计符合加工的工艺要求,系统结构简单,具有实际应用价值.【期刊名称】《光学仪器》【年(卷),期】2018(040)002【总页数】6页(P38-43)【关键词】无焦变倍;激光扩束;Zemax;优化设计;波像差【作者】黄耀林;王敏;寇远凤【作者单位】福建师范大学光电与信息工程学院医学光电科学与技术教育部重点实验室,福建福州350007;福建师范大学光电与信息工程学院医学光电科学与技术教育部重点实验室,福建福州350007;福建师范大学光电与信息工程学院医学光电科学与技术教育部重点实验室,福建福州350007【正文语种】中文【中图分类】TN249引言由于激光具有高亮度、单色性好和方向性好等特点[1],激光扩束准直系统在通信技术、激光扫描、切割、测量距离等领域被广泛应用。
在实际应用或实验过程中,通常需要用到口径不一的准直激光光束,尤其是在实验操作过程中,每更换一个实验元件都需要重新调节整个光路,不利于实验操作,因此设计一个连续变倍的激光扩束系统是非常有必要的。
目前激光扩束方法使用较为广泛的有两大类[2-4]。
第一类是选用反射系统,此类系统选用大口径的反射镜面来扩大激光光束,常见的系统有格里高利系统和卡塞格林系统。
由于此类系统通常采用非球面镜片,并且是固定的扩束比,通常是单独设计某一类口径的光束,而且非球面在实际生产中存在较高的成本以及难度。
所以此类系统适合大倍率扩束的应用。
激光变倍准直扩束系统设计
l
引
言
由于激光具有光能量集中、 方向性和单色性好等特点， 激光准直扩束系统1 1 1 被 广 泛 的 应 用 在 激 光 测 距 |21, 激 光切割， 空间光学， 激光干涉仪， 激 光 制 导 等 各 个 领 域 。激 光 器 输 出 方 向 性 极 好 的 细 激 光 束 ， 有 着0 . 2~ 5 m r a d 极 小 发 散 角 P1; 在 精 密 测 量 中 ， 还需采取办法进一步提高其准直性， 改 变 激 光 光 斑 大 小 。激 光 准 直 扩 束 系 统 能 进 一 步 压 缩 发 散 角 和 扩 大 光 斑 尺 寸 。而 目 前 为 止 大 扩 束 比 的 准 直 扩 束 系 统 扩 束 比 为 定 值 ， 且大都采用反射式扩 束 系 统 |41， 反射式扩束系统采用非球面反射镜1 5 1 的结构， 具有加工难度大， 不 易 调 整 等 特 点 。 目前还有一种利用 衍 射 型 台 阶 化 面 型 近 似 二 次 非 球 面 的 激 光 扩 束 方 案 |61， 对典型的束腰半径为2 m m 的高斯光束， 实现了 2 . 8 倍的 理论扩束比， 这种方法采用了近似非球面的衍射型元件， 加工难度大， 理论计算复杂， 不 易 实 现 。 本文基于无
后 固 定 组 。在 三 组 元 透 镜 组 合 1 8 1 而成的无焦变倍准直扩束系统中， 当变倍组移动时， 其放大率会有所变化。 这时若通过移动补偿组， 使变倍组的像点恰与补偿组的前焦点重合， 则此时的光学系统仍然是一个无焦系 统 |91， 并 且 出 射 光 束 口 径 会 通 过 这 两 组 透 镜 的 移 动 而 发 生 变 化 。一 般 情 况 ， 三组元透镜组可采用“ 正一负一 正” 、 “ 负一 正 一 负 ” 或“ 负一负一正” 等 形 式 。与 “ 负一正一负” 和“ 正_ 负一正” 相比， “ 负一负一正” 具有组合 长 度 短 和 可 快 速 变 倍 的 优 点 。下 面 详 细 介 绍 “ 负一负一正” 结 构 的 无 焦 变 倍 原 理 。系 统 结 构 如 图 1 所 示 ： 其 中 L, 为前固定组； 1^为 变 倍 组 ； L 3 为 补 偿 组 。 弋 为 前 固 定 组 L , 与 变倍 组 1 ^ 2 之 间 的 间 隔 ； < 为变倍组1^2 与 补 偿 组 L 3之间的间隔； 屯 为 前 固 定 组 L , 与 补 偿 组 L , 之 间 的 间 隔 ||(>|。 (a ) 吨 （ b)
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。
激光扩束
6.2mm 透镜时白屏所显示光斑的图像 激光经过 6.2mm 透镜扩束后的光斑
距离 170mm 透镜 20cm 光斑 距离 170mm 透镜 40cm 光斑
距离 170mm 透镜 60cm 光斑 距离 170mm 透镜 80cm 光斑
第一个透镜焦距 f1=6.2mm,第二个透镜焦距 f2=170mm; 测得的 w0=0.6mm；焦参数 f=πw02/λ=1.2m； q 参数：q=z+1.2i(m)； 透过第一个透镜的束腰半径为：0.0021mm；
if z(gk)<=L1 M=[1,z(gk)-s;0,1]; q=(M(1,1)*q0+M(1,2))/(M(2,1)*q0+M(2,2));
wz(gk)=sqrt(-1/imag(1/q)/pi*lambda); elseif z(gk)>L1 && z(gk)<= (100+F1+F2) M=[1,z(gk)-L1;0,1]*Mf1*[1,L1-s;0,1 ]; q=(M(1,1)*q0+M(1,2))/(M(2,1)*q0+M(2,2)); wz(gk)=sqrt(-1/imag(1/q)/pi*lambda); elseif z(gk)>(100+F1+F2) wz(gk)=M1*w0;
透镜聚焦原理图 利用这一特点，采用两个焦距不同的透镜，可以构成扩束和准直 系统.F1、F2 分别为两个透镜的焦距，由几何光学原理很容易得出束 宽放大比率为 M=f2/f1。
7)凹凸透镜组合扩束法:
与双凸透镜扩束法类似，将入射镜片换成凹透镜，两透镜间距为 R=f1+f2，放大倍率为 M=f2/f1。
输入镜
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。
离轴二反激光扩束系统的设计和数学建模
光 电技 术应 用
Ｅ ＬＥ ＣＴＲｏ． ＯＰ Ｔ Ｉ Ｃ Ｔ ＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＡＰ Ｐ ＬＩ ＣＡＴ Ｉ ＯＮ
Ｖｏ １ ． ２ ９． Ｎｏ． ４ Ａｕ ｇｕｓ ｔ ， ２０１ 二反 激 光 扩束 系统 的设 计 和数 学 建模
激 光 扩 束 系 统 根 据 光 线传 播 的形 式 主 要 可 分
使用 ， 甚 至 造 成镜 片 的 吸热 受 损 。离 轴 反射 式 扩 束 系 统 虽 然 加 工 困难 ， 并 且 难 以 达 到 较 高 的 面 型 精
度， 系统 装 调 难 度 非 常大 。但 是 它 在 大 功 率 、 宽 波
ｖ ｅ ｎ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ａ ｎ ｄ ｆ ａ ｓ ｔ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄｓ ： ｒ ｅ ｌｅ ｆ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ；ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｂ ｅ ａ ｍ ｅ ｘ ｐ ａ ｎ ｄ； ｍａ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｎ ｇ
为 透 射式 和 反 射式 两 种 。透 射式 扩 束 系统 ， 根据 不
同 的 目镜 类 型可 分 为伽 利 略扩 束 系统 和开 普 勒 扩 束 系统 。它 往 往 针 对 某 一 特 定 波 段 的光 束 。具 有 面型 精 度 高 、 波相 差 小 、 安装 简 便 、 系 统 占用 空 间小 等 特 点 。反 射 式 扩束 系 统 ， 应 用较 广 的有 格 里 高利
王佳 轶
（ 中国电子科技集 团公 司光 电研究 院， 天津 ３ ０ ０ ０ ０ ０ ）
摘
要： 描述 了一种离轴二反 式激光扩束系统 的数学建模方 法。该方法可 以在输 人少数特定参数 的情 况下 ， 解算 出整个
高精度连续变倍率激光扩束系统设计
２．１ ＬＣＳＬＭ 实现数字透镜功能的原理 由于 ＬＣＳＬＭ 具有可编程性，故通过给其加
载不同灰度信息的相位调制图可以控制加在其上 的电压，通过改变外加电压可以改变液晶分子的 指向，从而使液晶分子折射率发生变化，当入射光 经过折射率不同的液晶分子后，就会产生光程差 Δφ，从而实现对入射光波的相位调制［１０１２］。利用
求。为解决上述问题，考虑到液晶空间光调制器 （ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＳｐａｔｉａｌＬｉｇｈｔＭｏｄｕｌａｔｏｒ，ＬＣＳＬＭ） 具有可编程，体积小，功耗低，无须机械转动，响应 速度快，测量精度高等优点［７９］，本文提出采用主 动的光学变焦系统，将 ＬＣＳＬＭ 作为主动光学元 件加入到光学变焦系统中。本文设计的基于 ＬＣ ＳＬＭ的变焦系统可以实现对激光束 ２× ～５×倍的 连续变倍率准直扩束，且该系统具有响应速度快、 操作方便，结构简单、精度高、维护成本较低等优 点。然而，由于液晶只能对线偏振光进行校正，因 此需要利用偏振片产生偏振光，这会导致能量的 损失，另外，液晶还存在无法承受大功率激光照射 的不足。因此，该系统不适合大功率以及对功耗 敏感的场合。
ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００００，Ｃｈｉｎａ； ２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｐａｃｅＯｐｔｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＣｈａｎｇｃｈｕｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００００，Ｃｈｉｎａ； ３．ＣｈａｎｇｃｈｕｎＧｕａｎｇＫｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００００，Ｃｈｉｎａ）
第 １２卷 第 ３期
中国光学
Ｖｏｌ．１２ Ｎｏ．３
激光变焦扩束光学系统设计
激光变焦扩束光学系统设计
激光变焦扩束光学系统是一种用于激光束的焦距和扩束半径调节的光学系统。
下面是一些激光变焦扩束光学系统设计的关键要点：
1. 透镜组设计：激光变焦扩束光学系统通常包含多组透镜，以实现对激光束的聚焦和扩束功能。
设计时需要考虑透镜组的组合，以及透镜的曲率半径和透镜间距等参数。
2. 光束扩束：为了实现光束的扩大，可以使用凸透镜或凹透镜来改变光束的发散角度。
广角透镜通常用于扩大光束，而窄角度透镜则用于聚焦光束。
3. 光束聚焦：为了实现光束的聚焦，系统可以使用具有更大折射率的透镜来提高光束的聚焦效果。
光束的焦点位置可以通过调整透镜与光源之间的距离来调节。
4. 自动聚焦系统：在某些应用中，可能需要实现自动聚焦功能。
这可以通过添加传感器或探测器来实现，以测量光束的强度或相位变化，并相应地调整透镜位置来保持光束的聚焦。
5. 光线控制：为了优化光束的质量和形状，可以使用光线控制器，如液晶光学器件或波片。
这些器件可以用来调整光束的相位和偏振状态，以实现更精确的焦散效果。
6. 光束评估：在设计过程中，需要对光束进行评估和测试，以确保所设计的系统具有所需的光束质量和性能。
常用的评估方
法包括光束直径测量、波前畸变测量和功率均匀性分析。
7. 材料选择和涂层：透镜和其他光学元件的材料选择非常重要，以确保系统具有所需的光学性能和耐用性。
此外，表面涂层也需要进行优化，以减少反射和散射，提高光束的传输效率。
总之，激光变焦扩束光学系统设计需要综合考虑光学元件的布局、透镜参数、光束聚焦和扩束方法，以及光束控制和评估等因素，以实现所需的聚焦和扩束效果。
分体式激光扩束系统平行度测量装置的设计
ｕ ｉ ｇ ａ ｕ ｉ ｕ ａ ｌ ｙ ｔ ｉ ｈ ｕ ｌ ｙ ａ ｄ ｈ ｇ ｉ ｉ ｉｙ ａ ｄ ｉｓａ ｔ ｉｙ ｐ ｒ ｓａ ｅ ｂ ｉ ｉ ｇ ｏ ｉ ｅ ｒ ｓｎ ｌ ｍ ｎ ｍ ｌ ｓ ｗｉｈ ｌ ｔｑ ａ ｉ ｎ ｉ ｈ ｒ ｇ ｄ ｔ ， ｎ ｔ ｃ ｉ ｔ ａ ｔ ｒ ｕ ｌ ｎ ｎ ａ ｌ ａ ｏ ｇ ｔ ｖ ｄ ｎ
文 献标 识 码 ： Ａ ｄ ｉ１ ． ７ ８ ＯＰ ． Ｏ ２ ０ ４ ０ ８ ｏ：０ பைடு நூலகம் ８ ／ Ｅ ２ ｌ ２ ０ ． ７９
中 图分 类 号 ： ＴＨ７ １ １ ４．４
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ａ ａ ｌ ｓ ｅ ｓ ｒ ｎ ｑｕ ｐ ｅ ｏ ａ ｅ ｅ ｍ ｓ ｓ ｇ ｆ ｐ ｒ ｌ ｌ ｍ ｍ ａ ｕ ｉ ｇ ｅ ｉ ｍ ｎｔｆ ｒ ｌ ｓ ｒ ｂ ａ ｅｉ
ＣＣＤ ｏｒｍ ｅ ｓ ｒ ｎ ｎｄ ｉ ａ ｉ ． Ｔ ｈｅ ｆ ａ ｕ ｉ ｇ ａ ｍ ｇ ｎｇ ｎ， ｔ ｅ ｈａ ｉａ ｔ ｕ ｔ ｒ ｆ ｔ ｅ ｅ ａｐｍ ｅ ｔ ｉ ｏ ｔ ｕｃ ｅ ｈｅ ｍ ｃ ｎ ｃ ｌｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ｏ ｈ ｑ’ ｉ ｎ ｓ ｃ ｎｓ ｒ ｔ ｄ ｂｙ
分 体 式 激 光 扩 束 系 统 平 行 度 测 量 装 置 的 设 计
张 磊 ， 劲 郭
吉林 长春 ｉ０ ３ ； ［ ０３ ３ （． １ 中国科学院 长春光学精密机械 与物理研 究所， ２ 中国科学院 研究生院， ． 北京 １０ ３ ） ００ ９
摘 要 ： 精 确 测 量 强 激 光 发 射 系 统 中 高 功 率 激 光 经 分 体 式 扩 束 系统 后 光 束 的 传 输 方 向 ， 计 了一 种 新 型 分体 式 扩 束 系 统 为 设
第 ２ Ｏ卷
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激光扩束器是一种用于将激光束从较小的光斑扩展为较大光斑的装置。
它被广泛应用于激光加工、激光切割、激光打标等领域。
本文将介绍一种简易激光扩束器的设计和制作方法。
设计思路：激光扩束器的设计主要包括两个方面：一是设计扩束光学系统，二是设计支架和固定装置。
光学系统是扩束器的核心部分，其主要功能是将光源的激光束扩展为所需光斑大小。
支架和固定装置则用于固定激光器和光学元件，保证整个系统的稳定性和可靠性。
1.设计扩束光学系统：扩束光学系统由凸透镜或透镜组成，其结构可以融合多个透镜，用于实现不同程度的扩束效果。
光学系统的设计原则是根据输入光斑的直径和所需扩束光斑的直径，确定透镜的焦距和透镜的间距，从而得到所需的扩束效果。
2.设计支架和固定装置：支架和固定装置的设计主要是为了保证光学系统的稳定性和可靠性。
可以使用金属材料如铁、铝等来制作支架和固定装置。
支架的设计要考虑光学系统的大小和形状，确保透镜和光源之间的距离和位置固定不变。
固定装置可以使用螺丝、销钉等固定装置，固定光学系统和支架。
制作过程：1.准备工作：选购适合的透镜和光源，选择适当的材料制作支架和固定装置，准备必要的工具如锉刀、打磨机、钳子等。
2.设计光程：根据扩束光学系统的要求，计算出透镜的间距和焦距，确定所需光程和位置。
3.制作支架和固定装置：根据设计要求和透镜的大小，使用金属材料制作支架和固定装置。
可以根据需要加工，打磨和调整尺寸以适应光学系统的安装。
4.安装光学系统：根据设计的光程和位置要求，将透镜安装在支架上，通过固定装置固定在支架上。
确保透镜和光源之间的距离和位置固定不变。
5.安装光源和测试：将激光器或者光源安装在支架上，并与光学系统相连接。
连接好电源，对系统进行测试，观察扩束效果是否满足需求。
6.调整优化：根据实际情况，调整光学系统的参数，如透镜的间距、焦距等，进一步优化扩束效果。
可以通过实验和测试，不断调整和优化以获得更好的扩束效果。
大视场反射式激光扩束系统光学设计
大视场反射式激光扩束系统光学设计衣同胜;吴从均;颜昌翔;于平【摘要】激光扫描捕获系统通过对激光光源进行扩束变换,压缩光源的发散角度,可减少在远距离传输中的能量损失.为满足某通信实验需要,设计一种放大倍率为10倍,光源扫描视场为48°×40°的小型扩束系统.系统要求在1 550 nm、1 064 nm、800 nm和632.8 nm激光波段,全视场范围内波像差RMS不大于0.1λ(λ=632.8 nm),且无中心遮拦.通过计算初始结构参数,利用Zemax软件优化,采用4片反射式非球面进行设计,全系统体积约为90×100× 60 mm3,波像差最大为0.095λ,满足系统尺寸和像质要求,整个系统光能透过率约为92％,满足透过率大于85％的设计要求.%Laser beam expander is used to compress the laser divergence angle, in order to reduce the energy losing in long distance scanning acquisition system. To meet the requirements of the laser communication experiment, a laser beam expander system was designed. The system has 10 times magnification and 48°× 40° working field, which is used in 1 550 nm, 1 064 nm, 800 nm and 632. 8 nm laser wavebands (632. 8 nm waveband is mainly used for system test). After the calculation of primary structrue parameters and the optimization by Zemax, four conic mirrors were used to compose the system. Considering the tolerence, the system's maxium wavef rent aberration(WFE) is 0. 095λ(λ = 632. 8 nm) that satisfies the requirement of the RMS of WFE <0. 1λ. It has a total size of 90 × 100 × 60 mm3 and transmission of about 92%,which also meets the 85% transmission demand.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2012(033)006【总页数】6页(P1156-1160,1184)【关键词】望远结构;激光通信;大视场;激光扩束;光学设计【作者】衣同胜;吴从均;颜昌翔;于平【作者单位】辽宁省葫芦岛市32941部队91分队,辽宁,葫芦岛125000;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间光学部,吉林,长春130033;中国科学院研究生院北京100039;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间光学部,吉林,长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间光学部,吉林,长春130033【正文语种】中文【中图分类】TN24;TH703引言激光光源具有单色性高、方向性好、相干性强、高能量等诸多优点，在激光通信、激光测速、激光测距、激光加工、激光准直、激光定位、激光雷达等领域内得到广泛应用［1］。
激光扩束器
激光扩束器光源发出的激光一般是一束准直的细圆柱光束，直径为1～2mm，而实际要求激光束有一定的宽度.下面讨论两种常用扩束方法.1) 棱镜扩束法由于棱镜材料的折射，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=cos［arcsin（sinφ/μp）］/cosφ′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.玻璃棱镜的μp=1.54.根据现有的数据，d=2mm，D=47mm,则总的扩束比为Mn=D/d=23.5图1 棱镜扩束系统若想用3个棱镜完成扩束比，则每个棱镜的扩束比应为M=M1/3n=2.8由M=cos［arcsin(sinφ/μp)］/cosφ′=2.8 ，可近似算得φ=81°.由折射定律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.和下面的透镜扩束相比，具有体积小，无象差等优点，并同时使入射光方向转了近90°，用在系统光路中即扩展了光束，也使光线方向发生改变，起到了扩束镜和反射镜的双重作用.总尺寸为10cm×10cm.2) 透镜扩束法设透镜的焦距为F，物距和象距分别为S01和S02，它们之间的关系为当S01=F时，S02=∞,说明透镜焦点上的一个点光源经过透镜后为一平行光；当S02=F时，S01=∞,表明当入射光为一平行光时，经过透镜后，聚焦在透镜的焦点上，如图2所示.图2 透镜聚光原理利用这一特点，采用两个焦距不同的透镜，可以构成如图3所示的扩束和准直系统.F1、F2分别为两个透镜的焦距，由几何光学原理很容易得出束宽放大比率为M=F2/F1设激光束直径为d，光束宽度为D，那么M=D/d=F2/F1图3 扩束系统和棱镜相比，透镜存在相差的影响，其中最主要的是球差.球差是由于非傍轴光线通过透镜时屈折得过分利害引起的，从而引起聚焦不好，如图4a.但是如果把一块透镜想象成两块棱镜在底部连接而成，那么明显的是：当入射光线同镜面和出射光线同镜面大致成同样大小的角度时，入射光线的偏转将最小，在图4b中，只要把透镜翻转过来，就使球差显著减小，当入射光是平行光时，对一个简单的凸透镜来说，若其后表面几乎为平面但不完全是平面时，将会有最小的球差.由于光路是可逆的，用两个透镜进行扩束时，应使两个透镜较平的一面相对，来减小相差.图4 一个平凸透镜的球差。
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。
一种激光变焦扩束光学系统设计
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。
多波段高功率激光扩束系统设计
作 者 简 介 ： 恒 坤 （９ ７ ）男 ， 理 研 究 员 ， 士 ， 王 １７ ， 助 硕 从事 光 电对 抗 方 面 相 关 研 究 ； ｅ ｇ ｕ ＠Ｉ ｉ． ＯＩ ｗｈ ｎ ｋ ｎ ．３ Ｃ Ｆ 。 ｏ１ １
多 波 段 高 功 率 激 光 扩 束 系 统 设 计
王 恒坤 ， 王 兵 ， 庄 昕 宇， 郭 汝海 ， 马 军
（ 国 科 学 院 长 春 光 学 精 密 机 械 与 物 理 研 究所 ，长 春 １ ０ ３ ） 中 ３ ０ ３
摘
要 ： 对 透 射 式 和 反 射 式 扩 束 系 统 应 用 于 高 功 率 激 光 扩 束 的优 缺 点 进 行 了 对 比研 究 。采 用 次 镜 为 凸
本 文设 计 的激 光 扩束 系统工 作于 近红外 到 远红外 光谱 波段 中 。多波段 高能 激光 器发散 角均 小于 系统对激
光 光 束 质 量 的 要 求 ， 作 激 光 光 束 最 大 直 径 为 ２ 工 ８ｍｍ ， 最 大 漂 移 量 为 ７ 。 扩 束 系 统 倍 率 设 计 为 ３ ５ ， 束 ． 倍 系
统波像 差优 于 ０ ２Ａ ． ３ ｍ） 光学 系 统具 有很 好 的稳 定 性 ， ． ５ （ 一０ ６ ２８ ， 并具 有 高抗 激光 损 伤 阈值 、 高反 射率 、 热
变形小 等 特点 。 １ ２ 结 构 类 型 ． 激 光 扩 束 系统 主 要 分 为 透 射 式ห้องสมุดไป่ตู้扩 束 系 统 和 反 射 式 扩 束 系 统 ｌ 。透 射 式 扩 束 系 统 是 由一 个 或 多 个 透 镜 组 ｇ 。 成 ， 据 不 同 的 目镜 类 型 可 分 为伽 利 略 望 远 镜 扩 束 系 统 和 开 普 勒 望 远 镜 扩 束 系 统 （ １ 。 反 射 式 扩 束 系 统 是 根 图 ）
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光学设计Optical design题目名称：准直扩束系统的设计学校：长春理工大学学院：光电工程学院专业：光电信息工程学号：姓名：魏松岩目录第一章绪论 (1)引言 (1)激光束及其准直扩束的原理 (1)折射型扩束器基本结构 (4)开普勒扩束镜伽利略扩束镜第二章光学设计软件ZEMAX概述 (5)第三章激光准直扩束系统设计 (9)准直扩束系统的参数确定 (9)确定激光扩束系统的初始结构 (9)ZEMAX的优化 (11)第一章绪论引言激光扩束系统是激光干涉仪、激光测距仪、激光雷达等诸多仪器设备的重要组成部分，其光学系统多采用通过倒置的望远系统，来实现对激光的扩束，其主要作用是压缩激光束的空间发散角，使扩束后的激光束口径满足其他系统的要求。
激光器发出的光束直径很细小，通常只有零点几到几毫米，激光束的这些特性在某些方面是很有用的。
然而在一些应用领域中需要的确是宽光束，如激光全息、光信息处理、激光照明、激光测距等。
例如在激光干涉仪的应用中，它要照射比激光束口径大得多的被测物体，然后通过光束的干涉来实现测量。
又如在激光的全息应用中，它要照射比激光束口径大得多的全息记录介质，以实现信息的记录和重现。
因此需要使用激光扩束系统来实现激光束的准直扩束。
激光束及其准直扩束的原理激光束的性质是由激光共振腔的几何形状和尺寸决定的,激光束具有特殊的结构,光束呈双曲线形，光束的截面上最小处称束腰(见图,其半径为其中，b为共振腔的共振参数。
共振腔的共焦参数b可由下式求得:其中，R为共振腔球面镜的曲率半径，d为共振腔二镜面之间的距离。
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，因为它简单、体积小、价格也低。
尽可能的该扩束镜设计成小的球面相差、低的波前变形和消色差。
它的局限性在于不能容纳空间滤波或者进行大倍率的扩束。
如图所示，输入镜将入射的激光束聚焦在前焦平面上（虚焦点），新的束腰'0ω和发散角'θ为πωλω10'f =和'2'0πωλθ=。
式中)(l ω为入射激光束在入射镜上光束半径，l 是入射激光束腰与入射镜的距离f1是输入镜的焦距。
因为'0ω落在输出镜的后焦平面上，并且输出镜的焦距f2大于输入镜的焦距，高斯光束将被扩束镜准直。
准直倍率如下：式中211f f T =，θ和0ω是入射光束的发散角和束腰。
经过扩束镜后，束腰"0ω 和发散角"θ为 100'"f πωλω=和T θθ="。
可得：)(10"l T ωω=。
通过采用倒置的望远镜系统不但实现了对高斯光束发散角的压缩,还增大了其腰斑的尺寸,实现了对高斯光束的扩束。
折射型扩束器基本结构开普勒扩束镜在需要或者进行大倍率的扩束的时候，人们一般使用开普勒设计的望远镜。
开普勒望远镜一般有一个凸透镜作为输入镜片，把实聚焦的光束发送到输出元件上。
另外，可以通过在第一个透镜的焦点上放置小孔来实现。
伽利略扩束镜最通用的扩束镜类型起源于伽利略望远镜，通常包括一个输入的和一个输出的。
输入镜将一个虚光束传送给输出镜。
一般的低倍数的扩束镜都用该原理制造，因为它简单、体积小、价格也低。
一般的尽可能的被设计为小的相差，低的波前变形和消色差。
它的局限性在于不能容纳或者进行大倍率的扩束。
第二章 光学设计软件ZEMAX 概述ZEMAX 的简单介绍ZEMAX Optical Design Program 是美国焦点软件公司ZEMAX Development Corporation 开发出来的ZEMAX 光学设计软件，ZEMAX 是Windows 平台上的视窗式的用户界面，操作习惯和快捷键风格如同Windows 。
是目前光学设计软件中应用最为广泛的一种。
它不但可以模拟并建立各种光学系统模型，还可以对光学系统的成像质量进行分析，提供了适用于不同系统的评价函数，如各种几何相差，光学传递函数（MTF ），点列图，波前函数图等，对于一个光学系统可以选择多个评价函数来进行成像质量的分析。
此外，ZEMAX 软件强大的优化功能能够为设计者的优化设计带来很大程度的方便，而软件持有的公差分析功能又能为设计者在实际加工和装调前给出可靠的光学特性误差，为实际加工提供了可靠性的保证。
用户界面介绍ZEMAX的视窗类型，和Windows的基本一致，打开不同的视窗可以执行操作不同的任务，可分为：主视窗（Main Window）ZEMAX启动以后，进入主视窗（图）。
主视窗顶端有标题栏（title bar）、菜单栏（menu bar）和工具栏（tools bar）。
编辑视窗（Editor Window）图ZEMAX主视窗界面ZEMAX中有6种不同的编辑器（Editors）：即镜头数据编辑器（Lens Data Editor），评价函数编辑器（Merit Function Editor）、多重组态编辑器（Multi-configuration Editor）、公差数据编辑器（Tolerance Data Editor）、用于补充光学面的附加数据编辑器（Extra Data Editor）、以及非序列元件编辑器（Non-sequential Components Editor）。
图形视窗（Graphic Window）最常用的有草图（Layout）、扇形图（Ray fans）、调制传递函数（MTF Plots）图等。
文本视窗（Text Windows）设计的文字资料，如详细数据（Prescription Data）、像差数据等显示在文本视窗中。
对话框（Dialogs）固定大小，在过程中跳出来的视窗（鼠标拖曳不能改变大小）。
用于定义或更新视场（Fields）、波长（Wavelengths）、孔径（Apertures）、面型（Surface types）等。
主视窗的操作（Main Windows Operations）主视窗在执行ZEMAX后显示出来，可以用鼠标拖动改变大小，如图所示。
上部有标题栏、菜单栏、快捷按钮。
底部状态栏中显示当前镜头系统的焦距（EFFL）、F数（WFNO）、入瞳直径（ENPD）、系统总长（TOTR）。
主视窗中的快捷按钮和状态栏中内容可以自定义，菜单栏中有：文件（File）展开后有文件的打开（Open），新建（New），存储（Save），另存为（Save as）等，偏好（Preference）可以修改文字大小，快捷按钮和状态栏中的内容。
编辑器（Editors）栏中包括ZEMAX中所有编辑器命令，展开后可打开Lens data editor，Merit function editor。
系统（System）定义或更新光学系统的光学特性数据，例如相对孔径、视场和选取的工作波长等。
分析（Analysis）它是ZEMAX中的非常重要的菜单之一，是用来进行像质评价和分析的主要工具，对于其中的每一项的数据的含义，单位要很好地理解。
主要有：Fans中的球差（Ray aberration），点列图（Spot diagrams）、调制传递函数（MTF）、点扩散函数（PSF）、波像差（Wavefront）、圆内能量集中度（Encircled Energy）；杂项（Miscellaneous）等。
工具（Tools）也是ZEMAX中的非常重要的菜单之一，分成七块：第一块用来进行光学镜头的局部优化（Optimization）、全局优化（Global / Search /Hammer Optimization）等；第二块分析镜头的公差，计算传递函数的点列图，波差等变化量表。
第三块是材料选择，有察勘玻璃库或向库中新增添或删除玻璃条目，寻找简单的透镜数据并插入到透镜数据编辑器中。
第四块是镀膜模型。
第五块是系统中镜头的孔径的定义，可以与渐晕系数配合共同使用。
第六块主要用来整体设计(1)按焦距或放大率缩放当前系统；(2)在当前系统中加入或删除折转发射镜。
第七块以后讨论。
报告（Report）形成镜头设计结果的报告，可以作为每一个光学面的形成报告（Surface data）；也能为镜头系统形成高斯参数或光学特性参数的报告（System data）；还可以给出设计结果的详细数据报告（Prescription data）。
宏编程（Macros）执行已经编译好的宏程序。
宏程序的编程过程：（1）使用一般的文本编辑器或使用ZEMAX自身的编辑功能创建扩展名为“*.ZPL”文件，该文件置于ZEMAX 目录下的Macros目录中；（2）使用ZEMAX提供的命名或函数库进行程序编写；（3）用Macros菜单下的“Run/Edit Zpl Macros…”执行宏程序。
宏程序可以提取光线追迹数据、像质评价等，可以定义新的优化设计用的操作符。
执行时，宏程序作用的对象是当前显示的镜头系统。
外部程序接口（Extensions）ZEMAX环境中，使用该接口可以执行外部扩展名为“*.EXE”的执行程序，用来与ZEMAX交换数据，或ZPL宏不能完成的功能。
外部程序可以用C语言等编程工具完成。
视窗（Windows）与帮助（Help）菜单ZEMAX的像质评价部分Fans光学中的“Fans”，即光扇图，与光学设计中的子午面和弧矢面的光线结构相对应。
由任一物点发出的不同孔径高的光线组分别在子午面内和弧矢面内，形成子午扇形光线和弧矢扇形光线组，由这些扇形光线组描述跟像差有关的像质指标，可以统称为“Fans”。
因此，Fans描述的是子午与弧矢两个截面内的像差曲线图。
共有“Ray Aberration，Optical Path和Pupil Aberration”三种：Ray Aberration由像质评价技术，独立的几何像差是按几何光线的空间结构来定义。
轴上有球差、高级球差两种单色像差；有轴向色差（一般取孔径）、色球差、二级光谱三种色差；轴外有子午像差、弧矢像差与主光线像差。
子午面与弧矢面单色像差有：场曲、慧差、像散，主光线像差有畸变、垂轴色差。
在考虑视场和孔径的高级像差时，种类更加繁多，有沿轴（或轴向）像差，每一种像差反映了几何光线在成像时的空间位置分布，如果镜头系统理想成像，所有的像差必须为零，数据量大，不利于总体掌握成像情况。
Stop DiagramsRay aberration仅能反映子午、弧矢面内光线造成像的弥散情况，几何点列图则能反映任一物点发出的充满入瞳的光锥，在像面上的交点弥散情况。
几何点列图通常以主光线与像面交点为原点，进行量化计算点列图的弥散情况，ZEMAX在此基础上，还给出以虚拟的“质心”、“平均”为原点的量化点列图。