激光扩束系统设计

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πω

λω10'f =和'2'0πωλ

θ=。

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）