激光扩束系统设计说明书
扩束整形系统设计
发明名称：基于组合透镜组的光线扩束与整形系统设计摘要本发明涉及一种用于光束整形的光学系统，所述的光学系统包含抛物面镜，凸面镜，凹面镜，柱面镜，且系统具有光轴。
利用抛物面良好的无相差特性，将光源置于抛物面的焦点上，将产生平行的入射光线，因为球面镜本身不可避免的存在球差，凸面镜产生负的球差，凹面镜产生正的球差，采用凸凹面镜胶合的方法可以消除在某个方向上消除球差，使得光束的聚焦效果更好；柱面镜仅在一个方向具有汇聚作用，类似于，用于对光束在一个方向进行压缩或扩展，采用一组正交的柱面透镜，用于实现光束不同方向的挤压。
由于柱面镜不具有空间的的轴对称特性，将柱面镜旋转 角度，得到光斑也将旋转一定的角度，从而满足不同方向的光斑需求。
基于各种透镜的基本作用，本文得到正方形，横矩形，竖矩形，圆形，动态倾斜，以满足不同的生产需求。
权利要求书1.一种用于光束扩束整形的光学系统，所述光学系统包含光源，透镜组，接收器，系统整体具有光轴，其特征在于，所述的透镜组包含：阵列反射形抛物面，其阵列几何中心关于光轴对称，用以将点光源变为平行光束，模拟激光的准直特性。
球面凸镜和凹镜组成的胶合透镜组合，凸面镜有负的球差，凹面镜会有正的球差，利用凹面镜可以进行补偿，抵消球差，使得光束的聚焦效果更好。
柱透镜采用一组正交的空间位置组合，通过日常生活，很容易看出，柱透镜在沿母线方向没有放大率，在垂直于母线的方向，由于厚度的变化，对光线有汇聚作用，用于对光束尺寸进行以维压缩或者放大。
2.根据权利要求1所述的阵列抛物面，其特征在于，基于数学模型的创建，得到过焦点的点光源平行出射这一重要结论，用于将点光源转化为一束平行光线，且根据阵列的形状，第一次将光源从一个点调节为阵列形状。
3.根据权利要求1所述的球面凹凸镜组成的胶合子镜组，其特征在于，可以在消除轴向球差的优势下将平行光束汇聚到一点，因为球面镜的轴对称特性，可以实现以及光斑的尺寸缩放（长宽缩放比例相同），只需要将接收器置于不同的位置，根据相似原理，尺寸动态变化，用于聚焦。
折射式望远镜(扩束)系统设计流程
扩束（折射式望远镜）设计流程设计要求：平行光进，平行光出入射光孔径100, 出射20mm只能使用两个镜片，且第二个镜片为平凹镜（伽利略式）两镜片间空气隔约250mm系统用于1053nm激光系统；要使用632.8nm波长对系统进行预测试像差要最小化，仅能使用一个非球面学习要点：如何对特定设计要求优化参数如何设计一个双工系统，即工作波长和测试波长不同的系统如何在Zemax软件里定义薄透镜（仅用于聚焦），如何定义多结构界面问题分析：其实就是设计一个望远镜系统，如果没有特殊要求，这样的系统是很容易设计的。
然而现在有一些附加要求，特别是工作波长和测试波长不一样。
我们应该如何开展这样的设计呢？对一个实用系统，测试只是一个确信性能的手段，而最终系统应该在工作波长被使用。
因此，这个例子里，我们先以1.053μm为基准进行设计。
之后再考虑如何在0.6328μm下做测试。
注意，现在的系统是平行光入，平行光出。
由于没有成像功能，因此在Zemax里，无法评价由于该系统引入带来的像差是多大。
如何解决这个问题呢？我们可以在Zemax里插入一个薄透镜，即几何光学里常使用的那种透镜，只具有对平行光聚焦的作用，本身不产生任何附加像差。
这样平行光经过该近轴薄透镜聚焦后的像斑就可以用来衡量扩束本身带来的像差大小。
两个实际厚透镜是4个表面，薄透镜是1个表面。
再加上默认的物像平面，在Zemax 里定义上述系统，共需要7个表面。
1.通用参数设置：首先从系统-→通用配置选项里输入入瞳孔径值100mm，在系统-→光波长选项里输入工作波长1.0532.透镜表格编辑：根据设计要求，编辑透镜表格如下：由于目前我们不知道两个透镜表面半径该多大，因此我们都没输入初始值，选默认的无穷大，即都是平板。
这个值我们可以通过软件的优化功能获得，因此把他们定义为变量。
注意，设计要求凹透镜为平凹镜，因此第一个表面半径为无穷大，不能变，即表格里的“3”面。
而其余三个待确定量设为变量。
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)
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。
高功率激光发射系统的一级扩束设计
高功率激光发射系统的一级扩束设计邵帅;高云国;郭劲【摘要】针对高功率激光发射系统对一级扩束的要求(即光束质量和扩束倍率都得到较好的保证),研究了高功率激光一级扩束系统.从激光扩束系统的类型、镜体基材选取等方面论述了高功率激光发射系统的一级扩束设计过程.首先,通过分析扩束系统类型,设计了离轴无焦卡塞格林扩束系统;然后,对高功率激光反射镜基底材料选取进行分析,确定了采用金属无氧铜作为镜体的基底材料;最后,对设计结果分别进行了定性和定量检测.结果表明,该一级扩束系统的波相差为0.538 λ(λ=0.6328 μm),该系统像质好,性能优良,是一种可以被广泛采用的强激光扩束系统.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2010(040)007【总页数】4页(P744-747)【关键词】高功率激光发射系统;一级扩束;设计【作者】邵帅;高云国;郭劲【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,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,吉林,长春,130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033【正文语种】中文【中图分类】TN2431 引言高功率激光发射系统是强激光空间传输系统中不可缺少的装置。
对高功率激光发射系统的研究一直是激光应用领域的关键技术问题。
高功率激光发射系统通常由前级扩束系统、导光光路系统和主扩束系统组成,其作用是将由大功率激光器输出的强激光束,首先经过前级扩束光学系统进行变换,在达到工作指标要求后,再经过导光光路系统,最后进入主扩束系统进行发射。
其中,前级扩束系统由一级或多级望远镜组成,用于将激光器输出的光束准直扩束,使之实现光束参数匹配或像质匹配[1]。
在一级扩束的强激光通道中,光束的直径都比较小,镜面要承受很高功率密度的强激光照射,镜面对强激光的吸收,特别是光强分布不均匀的激光束,会引起镜面面形的畸变,导致产生光束波前误差,反射镜的热畸变严重时,会影响激光发射系统的光束质量[2]。
一种激光变焦扩束光学系统设计
一种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扩束和变焦的光学系统。
它可以将激光束的直径扩大，并同时调整激光束的焦点位置，以满足不同的应用需求。
在设计激光变焦扩束光学系统时，需要考虑以下几个方面：
1. 扩束倍数：需要根据实际需求确定扩束倍数，一般来说，扩束倍数越高，系统的复杂度和成本也会相应增加。
2. 变焦范围：需要确定系统的变焦范围，以满足不同的应用需求。
3. 光学元件的选择：需要选择合适的光学元件，如透镜、反射镜等，以实现扩束和变焦的功能。
4. 光学设计：需要进行光学设计，以确保系统的光学性能满足要求。
5. 机械结构设计：需要设计合适的机械结构，以支撑和固定光学元件，并实现变焦和调焦的功能。
在设计过程中，可以使用光学设计软件进行模拟和优化，以确保系统的光学性能和机械结构满足要求。
同时，还需要考虑系统的成本和可靠性等因素。
总之，激光变焦扩束光学系统的设计需要综合考虑光学、机械和电子等多个方面的因素，以实现系统的高性能和可靠性。
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。
激光扩束系统设计
光学系统课程设计要求
1、查阅光学设计理论和像差分析的相关文献和资料； 能提出并较好地的实施方案。
2、能用Zemax软件设计简单透镜组，对初级像差进行分 析和校正，从而对激光扩束系统进行优化设计。
3、能对所设计出来的光学系统进行合理的评价，并从工 程角度出发，进行优化设计，最后绘制出工程加工图纸。 4、撰写课程设计论文。要求内容不少于3000字，综述简 练完整、规范、准确；立论正确、论述充分；图表完备、 整洁、正确。 5、报告上交.zmx和.word电子档文件，两个文件打包， 报告名称统一为：姓名+班级+学号
光学系统课程设计内容
设计一个激光光束扩展器（变换器），具体要求如下： 1.输入光束直径为100mm，输出光束直径为20mm 2.使用波长：1064nm 3.测试波长：632.8nm
4.设计须采用伽俐略式（即内部无焦点）
5.只使用两片镜片，只允许使用1个非球面
6.镜片的间隔长度不超过250mm
激光光束扩展器的设计
光学系统课程设计目的 光学系统课程设计内容
光学系统课程设计要求
光学系统课程设计任务安排
光学系统课程设计目的
一、掌握光学系统设计的一般方法和设计思路。
二、掌握简单的、典型的系统设计的基本技能，熟悉光 学设计中所有例行工作，如数据结果处理、像差曲线绘 制、公差分析以及工程图纸绘制等。 三、掌握ZEMAX在光学系统设计中的应用。
光学系统课程设计任务安排
2013.7.1-2013.7.2 布置任务，查找相关的文献，了解激 光扩束系统的基本结构、基本性能要求及相关4 熟悉zemax操作界面，练习输入数据， 评价像质，简单优化。
2013.7.5 根据实例，深入学习Zemax像差控制和优化方法 2013.7.6-2013.7.9 查找专利及镜头库，确定初始结构，选 型，进行优化设计；给出像质评价报告；输出工程加工图 纸 2013.7.10-2013.7.12 撰写课程设计论文，修改定稿并交稿
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：***2014.01.08目录第一章绪论 (1)1.1引言 (1)1.2激光束及其准直扩束的原理 (1)1.2.1激光高斯光束的特性1.2.2激光束准直扩束的原理1.3折射型扩束器基本结构 (4)1.3.1开普勒扩束镜1.3.2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)3.1 准直扩束系统的参数确定 (9)3.2确定激光扩束系统的初始结构 (9)3.3 ZEMAX的优化 (11)第一章绪论1.1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。
1.2激光束及其准直扩束的原理1.2.1激光高斯光束的特性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2.1),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。
1.2.2激光束准直扩束的原理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。
多波长激光扩束系统的设计
文章编号:0258-7025(2001)08-0714-03多波长激光扩束系统的设计李良钰1,3 李常春2 李银柱1 戴亚平1 刘 诚1 程笑天1 朱健强1 王仕3(1中国科学院上海光机所高功率激光物理国家实验室 上海201800;2重庆通信学院 重庆400035;3电子科技大学应用物理系 成都610054)提要 在ICF 高功率激光驱动器中,用双胶合透镜代替扩束望远系统中的较大透镜,或用两反射镜做成反射式扩束系统,两种情形都能对多种波长进行扩束,达到了设计要求。
关键词 激光扩束,双胶合透镜,像差,非球面中图分类号 TL 632+.1;TH 743 文献标识码 ADesign of Laser Expanding Systems for Multi -wave LengthLI Liang -yu1,3 LI Chang -chun 2 LI Yin -zhu 1 DAI Ya -ping1LIU Cheng 1 CHENG Xiao -tian 1 ZHU Jian -qiang 1 WANG Shi -fan3(1State Key Lab of High Lase r Physics ,Shanghai Institute of Optics and Fine Mec hanics ,The Chinese A cademy of Sc ienc es ,Shanghai 2018002Institute of Chongqing Commniuc ation ,Chongqing 4000353Department of A pplied Physics ,Unive rsity of Ele ctronic Scienceand Technology of China ,Chengdu 610054)A bstract In the ICF high power laser drivers ,a cemented doublet lens laser expanding system and reflectional expanding s y stem for multi -wave length are given .Key words expand ing of laser ,cemented doublet ,aberration ,asphere 收稿日期:2000-12-05;收到修改稿日期:2001-04-051 引 言 激光光学系统有时需要有较宽的光束,故应对激光束进行扩束。
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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： 100212338 姓名：魏松岩2014.01.08目录第一章绪论 (1)1.1引言 (1)1.2激光束及其准直扩束的原理 (1)1.2.1激光高斯光束的特性1.2.2激光束准直扩束的原理1.3折射型扩束器基本结构 (4)1.3.1开普勒扩束镜1.3.2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)3.1 准直扩束系统的参数确定 (9)3.2确定激光扩束系统的初始结构 (9)3.3 ZEMAX的优化 (11)第一章绪论1.1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。
1.2激光束及其准直扩束的原理1.2.1激光高斯光束的特性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2.1),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。
1.2.2激光束准直扩束的原理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。
1.3折射型扩束器基本结构 1.3.1开普勒扩束镜在需要空间滤波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，把实焦距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空间滤波。
1.3.2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凹透镜和一个输出的凸透镜。
输入镜将一个虚焦距光束传送给输出镜。
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。
第二章光学设计软件ZEMAX概述2.1 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。
2.2 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：2.2.1 主视窗（Main Window）ZEMAX启动以后，进入主视窗（图1.1）。
主视窗顶端有标题栏（title bar）、菜单栏（menu bar）和工具栏（tools bar）。
2.2.2 编辑视窗（Editor Window）图1.1 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）。
2.2.3 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。
2.2.4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。
2.2.5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。
2.3 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1.1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：2.3.1 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。
2.3.2 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。
2.3.4 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。
2.3.5 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。
2.3.6 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）。
2.3.7 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。
2.3.8 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。
2视窗（Windows）与帮助（Help）菜单2.4 ZEMAX的像质评价部分2.4.1 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：2.4.2 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0.707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。