激光扩束镜的优化设计

1、武汉工程大学课程设计（学年论文）说明书课题名称： 激光扩束镜 专业班级： 11级光通信01班 学生学号： 学生姓名： 学生成绩： 指导教师： 课题工作时间： 2013年6月20日 至 2013年6月25日 武汉工程大学教务处 一、课程设计的任务或学年论文的基本要求1. 查阅光学设计资料及有关文献，搜集相关数据；据此提出并较好地论述课题的设计方案。2. 熟悉光学设计的方法，能对光学设计的基本思想和理论有一定的理解。初步培养设计简单光学系统或简单透镜组的能力。3. 了解计算机辅助光学设计软件zemax的使用。4. 确定设计方案，输入初始结构参数。5. 进行优化参数的选择、设定和优化函数的设计；进行

2、优化计算。6. 绘制光学镜头的结构图，绘制输出相关像质评价的图形和函数。7. 撰写完整的课程设计报告，包括设计说明书、镜头计算过程及结果汇总、图纸、设计过程评述。二、进度安排2012年6月18日-6月20日 文献搜集与整理2012年6月21日-6月22日 学习有关光学设计的像差理论，学习zemax光学设计 软件的使用2012年6月23日 方案论证2012年6月2425日 实施设计，输入初始结构参数，利用zemax软件进行优化并分析优化结果。根据优化结果，对光学设计过程进行总结，形成设计说明书，最终成稿，并进行答辩。三、参考资料或参考文献.激光原理m，周炳琨、高以智编著，国防工业出版社，（第六版

3、）.应用光学m，李林主编，北京理工大学出版社，（第四版）。.光学设计教程m，黄一帆、李林编著，北京理工大学，2009年11月第一版。.激光器件与技术教程m，徐荣甫，刘敬海等，北京工业学院出版社.实用光学技术手册m，王之江，机械工业出版社，2006年9月出版。 .计算机辅助光学设计的理论与应用m，李林、安连生编著，国防科技大学出版社，2002年4月出版。 .现代光学工程m， 沃伦j.史密斯 (warren j.smith)、周华君、程林，化学工程出版社，第四版。 . 刘钧 ，高明.光学设计m.西安：西安电子科技大学出版社，2006. .毛文炜.光学镜头的优化设计m.北京：清华大学出版社，2009

4、. .王之江，实用光学技术手册m，北京：机械工业出版社，2007.指导教师签字： 年 月 日 教研室主任签字： 年 月 日四、课程设计（学年论文）摘要（中文） 摘 要： 激光扩束镜的原理通过改善激光束的空间发散角，提高光束的准直性，使激光束达到对孔径的要求。本文根据光学理论手工计算出了扩束镜焦距f1及后扩束镜焦距f2，并根据理论结果计算出来扩束比为5的扩束系统，通过应用zemax软件对设计结果进行了优化，在工作波长为1053nm，检验波长为632.8nm，通过优化函数消除球差，使得波像差 /8l(=1053nm) 关键词：激光扩束镜、光学设计、zemax软件 五、课程设计（学年论文）摘要（英文

5、） abstract：the principle of laser beamexpandingmirror throughimproving laser beamspatial divergenceangle,improve the collimation of the beam,the laser beamtotherequiredaperture.according to the optical theorymanualcalculated thebeam expanding lensfocal length of f1and thebeam expanding lensfocal len

6、gth of f2,and according to thetheoretical resultscalculatedbeam expandingratio ofbeam expandersystem 5,through the application of zemax software todesign result is optimized,the working wave length of 1053nm,the inspectionwave length is 632.8nm,eliminatespherical aberrationby optimizingfunctionthewa

7、veaberration,lambda /8( =1053nm) 六、指导教师评分评价内容具 体 要 求权重得分调查论证能独立查阅文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。10实践能力独立设计、计算、绘图的能力（课程设计）；能正确选择研究（实验）方法，独立进行研究的能力（学年论文） 15分析解决问题能力能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题（课程设计）；或能对课题进行理论分析，得出有价值的结论（学年论文）。15工作量、工作态度按期圆满完成规定的任务，工作量饱满，难度较大，工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。10质量综述简练完整，有见解；立

8、论正确，论述充分，结论严谨合理（或设计过程完整，设计内容完全）；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文（设计）结果有参考价值。40外语和计算机应用能力在课程设计或学年论文中，能够体现外语和计算机的应用能力。5创新工作中有创新意识；对前人工作有改进或独特见解。5综合评语指导教师签字： 年 月 日 七、答辩记录记录人（签字）： 年 月 日答辩意见及答辩成绩答辩小组教师（签字）： 年 月 日课程设计（学年论文）总评成绩：（指导教师评分80%+答辩成绩20%）1. 引言：激光扩束系统是构成诸如激光雷达、激光测距仪等仪器的重要组成部分。其主要作用是通过改善激

9、光束的空间发散角，提高光束的准直性，使激光束达到对孔径的要求。扩束系统根据扩束比是否可调，可分为固定式和可调式。变焦扩束系统与其它扩束系统相比具有扩束比可调的优点，故其在全息照相、激光测距以及光通讯等领域有着广泛的应用。变焦扩束系统根据组元的多少可分为二组元系统、三组元系统和四组元系统等。 2 文献综述 通常我们以光束的发散参数作为完美的高斯激光束的特征。发散是指光波在其空间传播过程中以一定角度展开。甚至完美的没有任何异常的光线也会由于衍射效应经历某些光束的发散。衍射是指光线在被不透明的物体，比如刀锋切断的时候产生的弯曲效应。展开（spreading）产生于在切断的边缘发出的次级波面阵。这些次

10、级波和主波会发生干涉，同时相互也会产生干涉，在某些时候就会形成复杂的衍射图案。衍射使得完美的校准光束成为不可能，或者不能够将光束聚焦到无限小的点。幸运的是衍射的效果是能够被计算的。因此存在着可以预知对于任何衍射极限的透镜光束被准直的程度和光斑大小的理论。我们现在考虑一束这样由低功率tem00气体激光器产生的光束，光腰为s0。这样我们就能够假定它能够达到衍射极限同时能够不用考虑任何热透镜效应。它将会显现出由于衍射引起的光腰的弯曲，或者说展开效应：s(x)=s01+(x/s0²)²½在这里x是指离开光源的距离，是指激光波长，如果x/s0²»1，

11、那么： s(x)x/s0² 利用这个近似值，我们可以写出光束由于衍射发散的角度： = s(x)/x=/s0 我们都知道指的是远场发散角。改善发散角，光束的远场发散定义了一个给定光束直径最好的准直效果。它也说明了光束的零发散角或者说最好的准直是不可能达到的，因为要做到这些需要有无穷大的光束直径。但是这个等式也表明了改善发散的可能性。考虑一个已经准直的光束，发散角为光腰为s0，我们可以看到如果光束直径能够增大，远场发散角将会减小。这就是扩大光束的优点所在。另外，小的发散能够使高斯光束聚焦得更好1 望远镜系统激光扩束原理激光扩束器的设计中常采用倒置的望远镜系统，高斯光束通过望远镜系统的变换

12、矩阵为式中分别表示两镜的焦距，两镜间距 ，其中表示失调量，为放大镜的放大率。设入射光束束腰为，焦参数为，物距为s，经望远镜系统后变为束腰为，像距为的高斯光束。其中对于调焦系统有：远场发散角与束腰间有反比关系，即，远场发散角被压缩倍，且与物距和像距均无关。当时，即像方激光束腰位于第二透镜的后焦面上；当时，该望远镜系统的扩束比。2 几种激光扩束望远镜的性能分析2.1 折射式扩束组远镜系统使用透镜作物镜的望远系统称为折射式望远镜，根据不同的目镜类型可分为伽利略望远镜系统和开普勒望远镜系统。伽利略望远镜系统具有结构简单、筒长短、等优点，但是其局限性在于不能容纳空间滤波或进行大倍率的扩束，因此其应用领域

13、受到了比较大的限制。而开普勒望远镜系统可以配合空间滤波片使用，使非对称光束分布变为对称分布，并可使激光能量分布得更加均匀，但是建造成本相比于伽利略望远镜也有所提升。2.2 反射式扩束望远镜系统反射式望远镜系统是指用凹面反射镜作物镜的望远镜系统，与折射式望远镜系统相比具有大口径、无色差、传输效率高等优点，已得到广泛的应用.在激光扩束器设计和制造中应用较广的有无焦格里格利系统和无焦卡塞格林系统反射式望远镜系统在光学性能方面的最大缺点是存在较为严重的像差，因此在实际使用中必须应用非球面的不同组合，实现不同的消像差能力，激光扩束望远镜中最常用的是抛物面。三、设计课题过程1、 通过查找资料，在镜头数据编

14、辑页面输入的初始值如下：通过使用两片具有不同色散特性的玻璃，一阶色差可以被矫正选用入瞳直径为5mm先在四个波长下工作，四个波长分别为：1.053、1.064、1.03、0.632.以适应不同工作波长。初始结构图如下：2. 建立评价函数。四优化过程：进行第一次优化，把胶合面的曲率半径作为变量，得到数据如下：现得到一些性能图如下：我们现在已经减小了色差的线性项，二阶色差占了优势，因此如抛物线形状所示。分析可得主要像差是球差。消除球差：通过调整优化函数来消除初级球差， 用lona 控制轴向球差， 当选择lona控制不住球差时, 同时加入spha 操作数, 设置合理权重, 可以将轴向球差进一步改善。并

15、用函数cvgt来控制第七面的曲率半径，以保证结构的完整无变化，并有效消除球差操作后得opd图如下：可分析出球差已经得到比较好的校正。为了矫正色球差，我们需要用轴上颜色来平衡它。在同一种像差中，用低阶像差来平衡高阶像差。这里，色球差是一阶轴上色差的高阶分量。为了引入轴上色差，我们将改变第一面，即校正前面的曲率，现在设置第一面的半径为变量，再次优化（tools，optimization，automatic）。并多次修改优化函数的权重，多次优化，可得新的opd图如下：将视场角的个数设置为2，输入y-角0.0，0.3，重新创建评价函数。在评价函数编辑时，并将rings改为4，单击ok。再次更新opd图

16、，已是一个很好地平衡了像差的设计。得到opd图如下：去除632.8nm波长，在工作波长下：得出opd图形改变光波长，使之工作在检验波长632.8nm再次优化得opd图如下所示：4. 优化各项结果如下：结果分析：（1）opd fan （光程差扇状图）分析：opd 是用来测量波前像差（wavefront aberration），波前是由一个点光源至所有相同光源点的位置。一個有像差的的波前在他传播的时候会改变其形状，对一個小的像差而言，这是一個很小的效应。但對一個很大的像差而言，此現象就很容意观测和机算到。我們得到的光程差在优化后变得小了，所以像差也降低了。（2）ray fan（光扇图）分析ray

17、fan 是表示光学系统参照入射瞳位置的像差综合值。纵轴表像差大小，横轴表入射瞳的位置。而在优化过后，我們可以发现已经下降，所以也是有明显的降低像差效果。在zemax中使用合适的优化 函数和权重对像差进行校正 ，逐步消除了基本像差 、高级像差并进行了像差平衡 ，提高光束的准直性，使激光束达到对孔径的要求，opd 曲线也很理想 ，而且结构简单，聚焦性能好。四. 设计总结对于此次课程过程，我更加深入的了解了激光扩束镜。现在激光扩束镜已广泛用于空间滤波，红宝石激光器的级间隔离，全息照相中的扩散，激光测距仪和激光雷达的发射系统，激光干涉仪的光源扩束，染料激光器的谐振腔等技术中。其作用是改善激光束的发散角，使激光器的准直性加强。对于设计一个激光扩束镜而言，因为激光束的发散角较小，所以只需校正轴上球差和慧差。结构宜简单，以减少激光能量的损失。且不宜使用胶合透镜，胶合透镜易受激光损害。此设计无需校正色差，但要考虑使色球差小，以兼顾几种不同的波长使用。这些都是通过这几天学习