基于ZEMAX的激光扩束系统设计开题报告

1、 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

2、”的书写，应按照国标GB 771487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,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 740894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。毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述1.1 本课题研究的背景激光扩束系统是激光干涉仪、激光测

3、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束的扩束。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却是宽光束，如激光全息、光信息处理、激光照明等。例如在激光干涉仪的应用中，它要照射比激光束口径大的多的被测物体，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扩束1-5。1.2 国内、外技术发展现状目前广泛使用的激光扩束器一般有两大类6,7：一类是采用两个或多个透镜组成的

4、透射式激光扩束器，如开普勒系统和伽利略系统。该类系统的特点是结构简单，多由球面透镜组构成，故可以通过改变透镜组之间的间距来实现对激光束的变倍扩束，即可以设计成扩束比连续变化的变倍系统。如果要求系统输出激光口径很大，则透镜的口径也随之增大，使得球差、彗差等与口径相关的像差显著增加，不仅影响了照明分布的均匀性，也增加了透镜的加工难度与成本，所以该类系统只适用于小倍率扩束。另一类是采用反射式扩束系统8，比如卡塞格林系统、格里高利系统以及离轴三反射式系统。这类系统的特点是使用大口径反射镜面，增大了扩束比，并且非球面的设计使得像差校正得很好。由于大扩束比系统有利于压缩激光器的发散角，提高准直性，所以在激

5、光扩束中得到广泛的应用。但卡塞格林无焦系统存在中心挡光现象；而离轴三反系统会引入比较大的轴外像差，所以为了保证光束质量而引入了多个非球面，增加了制造和装调的难度和成本。此外，反射式系统的扩束比不可调节，只能针对某一种光束口径进行设计，使得应用范围受到了限制。目前文献报道的最大光束放大倍率为50倍，在满足激光束放大比的条件下，尽量选用折射型扩束器，因为这种结构简单，调试方便。 激光扩束器的主要作用是压缩激光的空间发射角和扩大激光光束9-14，使扩术后的激光束口径满足其他系统的要求；同时由于激光的高单色性及准直性优点，因此也常常用于光谱成像系统中的光谱定标。在折射型扩束器中，除空间滤波必须采用开普

6、勒望远镜外，一般采用伽里略望远镜,这种结构不仅能缩小外形尺寸，而且在强功率激光束的场合，由于通过负目镜时，使光束发散。故可避免因正目镜会聚而产生的空气击穿现象和导致透镜的损伤。 近几年，我国成功研制了具有大扩束比的激光扩束器，如同济大学物理系研制的“300 HTM激光扩束器”15（如图1.1所示）。该扩束器为哈特曼扩束器，具有大口径和高倍率的特点，其通光口径为300mm ，倍率为30，仪器总长950mm。该系统的物镜采用了非球面的设计，故能在最大的限度内减小系统的像差，满足其要达到的系统指标。 图1.1 300 HTM激光扩束器在激光变焦扩束系统方面，国内外都研制了一系列成熟的产品。武汉巍腾科

7、技有限公司的VIS-NIR56C-30系列电动变焦激光扩束镜16，对波长为450-675nm的激光束可实现lx-4x或2x-8x的连续变焦，且其系统像差优于/4。CVIMG公司的LBV系列激光变焦扩束系统对波长为632.8nm的He-Ne激光光束具有2.5x-10x的扩束比，且其系统像差优于材/1017。 1.3 ZEMAX概述 ZEMAX18是美国 Radiant Zemax公司所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射、折射、绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能。ZEMAX是一套综合性的光学设计仿真软件，它不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分

8、析软件，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点，而且ZEMAX可仿真Sequential和Non-Sequential的成像系统和非成像系统。ZEMAX能够在光学系统设计中实现建模、分析和其他的辅助功能。 ZEMAX的界面简单易用，只需稍加练习，就能够实现互动设计，其中有很多功能能够通过选择对话框和下拉菜单来实现。同时，也提供快捷键以便快速使用菜单命令。手册中对使ZEMAX时的一些惯用方法进行了解释，对设计过程和各种功能进行了描述。ZEMAX目前已经是被光电子领域熟知的光学设计的首选软件。该软件拥有两大特点，就是可以实现序列和非序列分析。在全球范围内，这款软件已经被广大的应用在设计显示

9、系统，照明，成像的使用系统，激光系统以及漫射光的设计应用方面。参考文献1 孔祥蕾, 郝沛明. 变焦扩束系统的光学设计, 应用光学, 2001.2 张存武. 变焦距光学系统设计D. 长春: 长春理工大学, 2006.3 徐金镛. 光学设计. 北京：国防工业出版社, 1989.4 陈钮清, 王静环. 激光原理.杭州: 浙江大学出版杜, 1992.5 卢亚雄, 杨亚培, 陈淑芬.激光束传输与变换技术.成都电子科技大学出版社, 1999.6 郁道银, 谈恒英. 工程光学. 北京: 机械工业出版社, 2005.7 袁沧旭. 应用光学. 北京: 国防工业出版社, 1988.8 姚启钧. 光学教程. 北京:

10、 高等教育出版社, 1988.9 李晓彤. 几何光学和光学设计. 浙江: 浙江大学出版社, 1997.10 蔡常达. 变焦距激光扩束系统的结构设计.激光与红外. 1996.11 李林.光学设计手册,北京:北京理工大学出版社,1996.12孟军和,张振,孙兴文.变焦距镜头的凸轮优化设计.红外与激光工程.2002,31(1):51一54 .13蔡常达.变焦距激光扩束系统的结构设计.激光与红外.1996,26(1):30一31 .14 DickBedeaux, Jan Vlieger. Optieal Properties Of Surfaees.London：Imperial College Pr

11、ess, 2004.15 Laikin, Milton. Lens Design.NewYork：Mareel, 1991.16 Kingslake R. Lens Design Fundamentals.NewYork: Academic Press.1983.17 Warren J.Smith. Modern Lens Design.NewYork: McGraw-Hill.1992.18 ZEMAX Development Corporation.Software For Optical Design.January 6, 2003. 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问

12、题和拟采用的研究手段（途径）：2.1本课题研究目的 通过查阅相关资料，掌握几何光学设计原理和无焦系统光束质量评价办法。掌握高斯光束分布基本原理及特点，完成高斯光束分布模型计算。掌握光学元件基本参数计算方法，完成系统中各光学元件参数计算。掌握ZEMAX光学设计软件使用方法，.利用ZEMAX完成扩束系统以及光束质量评价函数建模，并进行优化，使得整个系统达到要求指标。2.2 本课题研究方案 通过对要设计的扩束系统技术指标的分析,可以看出要实现扩束比大于,通过单一的扩束方法(如透射式扩束系统或反射式扩束系统)都难以实现。 设计的扩束系统采用两级扩束的办法,来达到扩束比大于的要求。首先,使激光器发射出的

13、光束通过透射式扩束系统,实现第一级扩束比大于。然后,使通过第一级扩束系统的光束入射到反射式扩束系统,实现第二级扩束。第二级扩束系统的扩束比应大于。2.3 本课题关键器件的选择2.3.1反射式扩束系统形式的选择反射式扩束系统通过采用非球面反射镜的结构,有利于消除系统的球差,故其广泛的应用于扩束系统中。反射式扩束系统可分为卡塞格林系统和格里高利系统。卡塞格林系统是使用最广泛的两镜系统,只消除球差。主镜为抛物面,其偏心率=1。副镜的偏心率=，只与副镜放大率有关。当副镜的放大率时,卡塞格林系统即可实现对光束的扩束，这时副镜的偏心率=1，为凸的抛物面。卡塞格林式扩束系统如图2.1所示。格里高利系统主镜是

14、凹的抛物面,其偏心率=1。副镜位于主镜焦点之后,是凹的椭球面。副镜的偏心率=，只与副镜放大率有关。当副镜的放大率时,格里高利系统即可实现对光束的扩束，这时副镜的偏心率=1，为凹的抛物面。格里高利式扩束系统如图2.2所示。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,而这种现象对激光束这种高斯光束来说影响较大。因为高斯光束的能量大都集中在中心位置,若存在中心遮拦则会使光束损失掉大部分的能量,而影响扩束后激光束的应用。若采用非轴对称形式的结构(即离轴反射式),则可以很好的解决轴对称式卡塞格林系统和格里高利系统存在的中心遮拦问题

15、。离轴的卡塞格林扩束系统和格里高利扩束系统的结构如图3.3所示。(a) 离轴的卡塞格林扩束系统(b) 离轴的格里高利扩束系统图3.3 离轴反射式扩束系统 通过对卡塞格林系统、格里高利系统、离轴卡塞格林系统和离轴格里高利系统的各种特性(如全长、有无色差等)进行比较，对于本课题要设计的扩束系统来说,离轴式卡塞格林扩束系统相对于其它三种系统来说更加合适。2.3.2折射式扩束系统形式的选择 折射型扩束系统有2种基本结构,即开普勒扩束器和伽利略扩束器,如图2.4所示。其中,图(a)中前组透镜的后焦点与后组透镜的前焦点重合；图(b)中前组透镜的前焦点与后组透镜的前焦点相重合。 (a) 开普勒扩束器 (b) 伽利略扩束器图2.4 折射型扩束器基本结构 实际应用中,除空间滤波必须采用开普勒结构外,一般采用伽利略结构.这种结构不仅结构简单,能缩小外形尺寸,而且在强功率激光束的场合,由于通过负目镜时光束发散,故可避免因正目镜会聚而产生的空气击穿现象和透镜的损伤。一般低倍率的扩束系统都采用伽利略结构来设计。此外,在光学系统中引入非球面可有效提高像质并减少透镜数量,且带有非球面的伽利略扩束系统加工技术已