(完整版)激光扩束望远镜设计

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。

激光扩束镜结构激光扩束镜是一种常见的光学元件，用于调整激光束的直径和扩束角度。

它由两个主要部分组成：透镜和反射镜。

透镜用于调整激光束的直径，而反射镜用于调整激光束的扩束角度。

激光扩束镜的透镜通常是凸透镜，它具有向外凸起的形状。

当激光束通过透镜时，透镜会将光线聚焦到一个点上，这可以减小激光束的直径。

透镜的曲率半径和直径决定了光线的聚焦程度。

较小的曲率半径和较大的直径将导致更大的扩束角度，而较大的曲率半径和较小的直径将导致更小的扩束角度。

激光扩束镜的反射镜通常是平面镜或曲面镜。

平面镜可以改变激光束的方向，而曲面镜可以改变激光束的扩束角度。

曲面镜通常是凸面镜或凹面镜。

凸面镜会使激光束扩束，而凹面镜会使激光束聚束。

反射镜的选择取决于需要调整的激光束特性。

激光扩束镜的结构可以是单透镜结构或双透镜结构。

单透镜结构包括一个透镜和一个反射镜，它们组合在一起以实现激光束的扩束。

双透镜结构包括两个透镜和一个反射镜，透镜和反射镜交替排列以实现更精确的扩束控制。

激光扩束镜的设计需要考虑许多因素，包括所需的扩束角度、激光束直径和波长等。

此外，材料的选择也很重要，因为不同的材料对激光束的传输和扩束特性有不同的影响。

激光扩束镜在许多应用中发挥着重要的作用。

例如，它们可以用于激光切割、激光打标和激光焊接等工艺中，以调整激光束的特性，使其适应特定的加工需求。

此外，激光扩束镜还可以用于激光通信和激光雷达等领域，以实现远距离的光信号传输和探测。

激光扩束镜是一种重要的光学元件，用于调整激光束的直径和扩束角度。

它由透镜和反射镜组成，可以采用单透镜结构或双透镜结构。

激光扩束镜的设计需要考虑多个因素，并在各种应用领域中发挥着关键作用。

维普资讯
文章编号ｔ １７－７５２０）８ ０００ ６２８８ （ ７０－ ２－３ ０ ０
激 光 扩 束 望 远 镜 的 光 学 设 计
樊丽娜 １ ，朱 爱敏 １ 琳 ２ ，刘 ，吴泉 英
（． 州科 技 学 院基 础 实验 教 学 中 心 ，苏 州 ２５０ １苏 １０９； ２ 苏 州大 学 物 理 科学 与 技术 学 院 ，苏州 ２５０） ． １０６
２ Ｓｈ ｏ ｏ Ｐ ｙｉ ｌ ｃ ｎｅ ｎ ｅｈ ｏ ｇ ， ｕｈ ｕＵ ｉ ｒ ｔ Ｓ ｚｏ １０６ Ｃ ｉａ ． ｃｏｌ ｆ ｈ ｓ ａ Ｓｉ ｃ ｄＴｃｎ ｌ Ｓ ｚｏ ｎｖ ｓｙ ｕｈ ｕ ２５０， ｈ ） ｃ ｅ ａ ｏ ｙ ｅ ｉ， ｎ
Ａ ｂｓ ｒ ｔ ｔ ａｃ ： Ｔｈ ｒｎ ｉ ｌ ｆｌｓ ｒ ｂ ａ ｅ ｐ ｉ ｎ ｉ ｒ ｓ ｎ ｅ ｎ ｈ ｘ ａ ｄ ｎ ｕｌ ｆａ Ｇｕ ｓ ｂ ａ ｅ ｐ ｉ ｃ ｐ ｅ ｏ ｅ ｅ ｍ ｘ ａ ｏ ｓｐ ｅ ｅ ｔ ｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｅ ｐ ｎ ｉ ｇ ｒ ｅ ｏ ａ ｅ ａ ｓ ｓ ｍ ｔ ｒ ｕ ｈ ａｔ ｌｓ ｏ ｅｓ ｓ ｅ ｉ ｘ ｌ ｉ ｅ Ａｆｅ ｈ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｆ ｅ ｅ ａ ｉ ｅ ｅ ｔｌ ｅ ｅ ｘ ａ ｄ ｎ ｈ ｏ ｇ ｅｅ ｃ ｐ ｙ ｔ ｍ ｅ ｐ ａ ｎ ｄ． ｔ ｒ ｅｃ ａ ａ ｔ ｒｓ ｉｓｏ ｖ ｒ ｌ ｆ ｒ ｎ ｓ ｔ ｓ ｄ ｓ ａ ｒｂ ａ ｅ ｐ ｍ ｎ ｉｇ ｔ ｌｓ ｏ ｅ ｓ ｔ ｍｓ ａ ｅ ａ ａｙ ｅ ， ｈ ｓ ｓ ｇ ａ ｎ ｓ ｓ ｅ ｓ ｓ ｌｃ ｅ ｏ ｍ ｅ ｔ ｔ ｅ ｄ ｓｇ ｅ ｕ ｒ ｍｅ ｔ ｏ ｎ ｅ ｅ ｃ ｐ ｙｓｅ ｒ ｎ ｌ ｚ ｄ ｔ ｅ Ｃａ ｅ ｒ ｙ ｔ ｍ ｉ ｅ ｅ ｔ ｄ ｔ ｅ ｈ ｅ ｉ ｎ ｒ ｑ ｉｅ ｎ ｆａ ｉ

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。

（完整版）基于ZEMAX的激光扩束镜的优化设计.doc光学软件设计实验报告：基于 ZEMAX的激光扩束镜的优化设计姓名：学号： 2011146211⼀、实验⽬的学会使⽤ ZEMAX软件对多重结构配置的激光束扩⼤器进⾏优化设计。

⼆、实验要求1、掌握使⽤多重结构配置。

2、进⼀步学习构建优化函数。

三、实验内容设计⼀个激光扩束器，使⽤的波长为 1.053um，输⼊光束直径为 100mm ，输出光束的直径为20mm，且输⼊光束和输出光束平⾏。

要求只使⽤两⽚镜⽚，设计必须是伽利略式的（没有内部焦点），在镜⽚之间的间隔必须不超过 250mm ，只许使⽤ 1 ⽚⾮球⾯，系统必须在波长为 0.6328um 时测试。

玻1、打开 ZEMAX软件，关闭默认的上⼀个设计结果，然后新建⼀个空⽩透镜。

2、在 IMA ⾯（像平⾯）前使⽤insert 插⼊ 4 个⾯，输⼊相关各⾯的厚度、曲率半径和璃类型值。

3 、点击Gen设置⼊瞳直径为100 ，点击Wav设置波长为1.053微⽶。

4、在主菜单Editors 5， Py 输⼊ 1， taiget 输⼊⾥构建⼀个优化函数，将第⼀⾏操作数类型改为10， weight 输⼊ 1。

REAY ， surf 输⼊5、在评价函数编辑窗中选⼯具—默认优化函数。

选reset，将“开始在”的值设置为2，确定。

6、点击 Opt 进⾏优化，优化后⽣产OPD 图。

7、将第⼀⾯的conic 设置为变量（ control+z ）。

再次进⾏优化，重新⽣产O PD 图并观察。

并8、将三个曲率和圆锥西数的变量状态去掉。

9、点击 Wav 重新配置光波长，将之前的分1.053 改为0.6328，确定后再次更新析OPD 图。

此10、将第⼆⾯的厚度时去掉250mm第设为可变，然后再次点击Opt⼆⾯的可优化，重新⽣成变状OPD态图。

11、从主菜单—编辑中调出多重结构编辑窗，在这个窗⼝的编辑菜单中选“插⼊结构”来插⼊⼀个新的结构配置，双击第⼀⾏第⼀列，从下拉框中选wave，在同样的对话框⾥为wavelength选择 1 ，确定。

激光扩束望远镜的光学设计
樊丽娜;朱爱敏;刘琳;吴泉英
【期刊名称】《红外》
【年(卷),期】2007(28)8
【摘要】介绍激光扩束原理,阐述望远镜系统扩展高斯光束的规律.通过分析不同激光扩束望远镜系统的特性,选用卡塞格林系统来实现强脉冲激光发射系统的设计要求,设计结果不仅满足准直性要求,并且在目标距离处的光斑大小具有一定的可调节性.
【总页数】3页(P20-22)
【作者】樊丽娜;朱爱敏;刘琳;吴泉英
【作者单位】苏州科技学院基础实验教学中心,苏州,215009;苏州科技学院基础实验教学中心,苏州,215009;苏州大学物理科学与技术学院,苏州,215006;苏州科技学院基础实验教学中心,苏州,215009
【正文语种】中文
【中图分类】TN249
【相关文献】
1.激光扩束望远镜的失调与扩束比 [J], 程洁;吕百达
2.高倍率激光扩束望远镜的光学设计 [J], 赵鑫
3.基于激光目标指示的红外扩束光学系统设计 [J], 李玉瑶;徐子奇
4.大视场反射式激光扩束系统光学设计 [J], 衣同胜;吴从均;颜昌翔;于平
5.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 [J], 杨欢
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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。

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。

激光扩束镜结构激光扩束镜是一种用于调整激光光束直径的光学元件。

它通常由一个具有一定曲率的球面镜面组成。

激光扩束镜结构的设计和制造对于激光器的性能和应用具有重要影响。

一般而言，激光扩束镜由两个主要部分组成：球面镜面和支撑结构。

球面镜面是调整激光光束直径的关键部分，它通常由光学玻璃或光学晶体制成。

球面镜面的曲率决定了光束扩束的方式，不同的曲率可以实现不同的扩束效果。

支撑结构则是用于固定和支撑球面镜面的部分，它通常由金属或塑料材料制成，具有足够的刚度和稳定性。

在激光扩束镜结构中，球面镜面的形状和曲率是关键因素。

一般来说，球面镜面可以分为凸面镜和凹面镜两种类型。

凸面镜具有正的曲率，可以将激光光束聚焦到一个点上，实现光束的收束。

而凹面镜则具有负的曲率，可以将激光光束扩散开来，实现光束的扩束。

根据需要，激光扩束镜可以选择不同曲率的球面镜面来实现不同的扩束效果。

在激光扩束镜结构中，还可以通过调整球面镜面的位置来进一步调整光束的直径。

通过改变球面镜面与光源之间的距离，可以改变光束的扩束或聚束效果。

例如，将球面镜面与光源距离缩小，可以实现光束的扩束；而将球面镜面与光源距离增大，则可以实现光束的聚束。

除了球面镜面和支撑结构，激光扩束镜结构中还可能包括其他辅助部件，如调节装置和冷却系统等。

调节装置可以用于微调球面镜面的位置和角度，以便实现更精确的光束扩束效果。

冷却系统则可以用于控制激光扩束镜的温度，以确保其稳定性和性能。

激光扩束镜结构是由球面镜面和支撑结构组成的光学元件。

通过调整球面镜面的形状、曲率和位置，激光扩束镜可以实现不同的光束扩束效果。

激光扩束镜的设计和制造对于激光器的性能和应用具有重要影响，因此在实际应用中需要根据具体需求进行选择和优化。

激光扩束镜原理与应用讲解一、激光扩束镜的原理1.透镜：透镜是激光扩束镜的核心部件，通常采用凹透镜。

透镜的功能是改变光线的传播方向，并使光线的角度发生变化。

当光线通过透镜时，透镜会改变光线的传播方向，使光线发生偏折。

2.凸透镜：凸透镜是激光扩束镜中的关键组件，它能够使光线发生折射，并且将光束聚焦到一个点上。

通过调整凸透镜的位置和角度，可以改变光束的直径。

3.透镜支架：透镜支架是用来支撑透镜和凸透镜的结构，使其固定在一定的位置上。

透镜支架通常由金属材料制成，具有较高的稳定性和耐用性。

二、激光扩束镜的应用1.激光加工：在激光加工过程中，激光扩束镜可用于调节激光束的直径，以满足不同加工要求。

通过调整激光束的直径，可以控制激光的能量密度和聚焦效果，从而实现精确加工。

2.激光测量：激光扩束镜可用于激光测距仪、激光测厚仪等激光测量设备中。

通过调整激光束的直径，可以改变激光测量设备的测量范围和精度。

3.激光打印：激光扩束镜常常用于激光打印机中，通过调整激光束的直径，可以控制打印机的打印速度和打印质量。

激光扩束镜还可用于打印机的校准和调试。

4.激光显示：激光扩束镜可用于激光显示器中，通过调整激光束的直径和角度，可以控制激光显示器的显示效果和分辨率。

5.光通信：激光扩束镜也广泛应用于光通信设备中，通过调整激光束的直径和角度，可以改变光通信设备的传输距离和信号强度。

总结：激光扩束镜是一种能够调整光束直径的光学设备，其原理是通过透镜和凸透镜的运用，改变光线的传播方向和角度，从而实现光束的扩束。

激光扩束镜在激光加工、激光测量、激光打印、激光显示和光通信等领域都有广泛的应用。

通过调整激光束的直径和角度，可以实现不同工艺的需求，并能改变光学设备的性能和特性。

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。

（完整版）激光扩束望远镜设计激光扩束望远镜设计一、项目研究背景在激光发射系统中，为了增大激光平行度作用距离，要求减小光束的发散角.这样才更大的范围内激光都可以保持较好的线性度。

因此，在发射系统中常采用扩束望远镜来扩展激光光束，达到系统的准直性要求。

而与一般的发射系统相比，强脉冲激光发射系统对光学系统的整体性能提出了更高的要求，不仅要求光学系统的准直性好，而且要求整个光学系统具有高抗光损阔值、高反射率、热变形小等特点.此外，在实际应用中还要求目标距离处的光斑尺寸具有可调节性，因此该种激光发射系统在理论设计与实际工程监理方面都面临着极大的考验。

二、项目研究内容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矩阵为11221M lf f f M f ττ+ ? ? -+ 式中12,f f 分别表示两镜的焦距，两镜间距12l f f =++?，其中?表示失调量，21f M f τ=-为放大镜的放大率。

设入射光束束腰为0w ，焦参数为20w f πλ=，物距为s ，经望远镜系统后变为束腰为'0w ，像距为's 的高斯光束。

其中对于调焦系统有：2'12()s M f f M s ττ=-+-'00w M w τ= 远场发散角0θ与束腰0w 间有反比关系，即02011M τθθ=，远场发散角被压缩M τ倍，且与物距和像距均无关。

当1s f =时，'2s f =，即像方激光束腰位于第二透镜2 L 的后焦面上；当12s f f >>+时，'2s M s τ≈-，该望远镜系统的扩束比'00w M M w τ==。

2、几种激光扩束望远镜的性能分析2.1折射式扩柬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，因此其应用领域受到了比较大的限制。

科学技术创新2019.27多重结构配置的激光束扩大器设计张云哲钟小康张旭王郭玲（西安文理学院原子与分子重点学科，陕西西安710065）摘要：激光扩束的目的是可以扩展激光束的直径。

因此它可以被应用在很多的领域当中，最为熟知的就是望远镜系统当中。

而本项目则是主要应用ZEMAX 仿真软件。

本项目使用了波长为1.053微米，要求设计出输入光束直径为100mm,输出直径为20mm ，且输入和输出光束要平行。

根据要求求出系统初始结构，尺寸计算，利用ZEMAX 光学软件模拟系统具体光路图配置，并进行像差优化处理，结果表明，此系统像质优良，结构紧凑，系统满足设计要求。

关键词：光学设计；ZEMAX ；激光扩束中图分类号:O433.5+4文献标识码:A 文章编号:2096-4390(2019)27-0014-021绪论目前激光扩束器的应用十分广泛，我们熟知的有几个类型，一种是透射式激光扩束器[1-3]，它大多是相同的结构组成的，可能就是镜片个数不同的区别。

比如开普勒系统和伽利略系统就是透射式的。

它突出的特点就是结构简单，大多情况下是由球面透镜组成的，所以，为了更好地让变倍系统有良好的效果，我们是可以通过各种途径来达到效果的[4-6]。

换句话说，就是更难的光学系统我们都可以设计，像变倍系统也是可以的。

如果我们要求的系统输出的激光口径很大的话，很容易我们会知道透镜的口径也一定会随之增大，那么这就会使得一部分和口径相关的像差也会明显的增大，例如球差、彗差等等都会增大[7]。

这样不只是照明的分布性受到了影响，也会让透镜的加工难度和成本随之提高，因此，只有小倍率的系统才适合用该类系统。

另外一种类型，则是反射式扩束系统。

通常情况下，像卡塞格林系统、格里高利系统都是[8]。

还有离轴反射式系统也属于该类型。

采用大口径的反射的镜面，不止提高了扩束比，而且它的非球面设计会让误差的降低效果大大提高，这是该类系统的一个突出特点。

压缩发散角受扩束比的影响，所以扩束比越大，就回越有利与它，并且提高了准直性，因此在激光扩束中有了广泛的应用。

两聚焦镜片间距可调，输出端的通光口径全部是25mm。如果输出光斑直 径 达 14.5mm 至 22mm ， 输 入 激 光 束 功 率 可 高 达 500W 。 输 入 端 内 螺 纹 M29x1mm，输出端外螺纹M29x1mm。
产品型号
BEST-10.6-1.3ZTM-CBE BEST-10.6-1.6ZTM-CBE BEST-10.6-2ZTM-CBE BEST-10.6-2.5ZTM-CBE BEST-10.6-3ZTM-CBE BEST-10.6-3.5ZTM-CBE BEST-10.6-4ZTM-CBE BEST-10.6-5ZTM-CBE BEST-10.6-6ZTM-CBE BEST-10.6-7ZTM-CBE BEST-10.6-8ZTM-CBE BEST-10.6-10ZTM-CBE BEST-10.6-12ZTM-CBE
3
66
24
6
5.3
BEST-10.6-4ZTL
4
75.7
31
8
5.75
最大输出 光直径 (mm)
14 14 14 14 16 16 23
连接方式 (mm)
φ24 M22x0.75
φ24 M22x0.75
φ24 M22x0.75
φ31
武汉新特光电 027-51773398/99 广州安特激光 020-28395114/5167 9
距离测量效果；通过扩束镜能改变光束直径以便用于不同的光学仪器设备；扩束镜配合空间滤光片使用
则可以使非对称光束分布变为对称分布，并使光能量分布更加均匀。
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

这里玻璃组合为BK7/SF5(K9/ZF2)，本可取Glass,Model,Vary ，将玻璃作为变 数优化，但得不到真正好的解，不如一一改玻璃，反而容易得到优化的解。
2
优化实例（2） --优化结果
3
优化实例（3）
非球面单透镜：f’=60，D/f’=1:1, 2 =±1°
利用非球面可以准确校正球差，透镜弯曲可校正彗差，
8次系数，所得结果存在高级彗差，再改初值（半径和Conic）产生反向初级彗差与
之平衡，再重复上述过程。
4
优化实例（3） ：优化结果
5
优化实例（3）
6
优化实例（3）
7
优化实例（3）
8
主要内容
• 光学设计软件ZEMAX简介 • 优化实例
1-单透镜 2-双胶合透镜 3-非物镜
光学设计
——光学设计实例
1
双胶合物镜
优化实例（2）
•总 不等于零，不能校正场曲；
•在玻璃组合合适时，可校正色差。
取f’=100, D/f’=1:5, 2 =±3°，平行光入射;
取各种玻璃组合（可以查“光学设计手册”）如： 3 BK7/SF2, SF5, SF1, SF10, SF4
都可以用程序得到对 0°视场校正良好的结果（取波长为F，d，C），但3° 视场一般有较大彗差，不能校正。将光阑位置作为变量时，一般仍然如此。 （初始半径可取（60，-60，∞）。
实际上，非球面高次项并非必须，如文件Asph3，只取6次项和8次项，残余像差
也小些，这个结果是采用下列逐步接近的过程作出，①校正S1，S2决定半径和
Conic系数，仍用Default merit function (Ring=3)但将孔径取很小值；② 半径和

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。

实例4 激光扩束镜的设计
目的 工作波长与检验波长不同时，如何设计补偿光路以完
成系统检验。 方法
1）消色差设计：使光学系统在工作波长与检验波长下的位置重合 优点：最佳选择，但有时不一定能设计出来，或使系统复杂化。
2）加平行平板：在工作波长下完成设计后，在两个镜组之间加入一 块适当厚度的平板，使其在检验波长下的像质优于衍射极限。 优点：结构简单，易操作。 因为平板可以放在任何地方，检验光路的像质与平板距前 后镜组的距离无关。
3）加补偿透镜：在工作波长下完成设计后，在准直（大口径）镜组
外侧加入一块适当结构的透镜，使其在检验波长下的像质优于衍 射极限。
不足：透补偿镜与准直镜组的距离、同心度会影响检验光路的 像质。
4）检验合格后，拿掉补偿镜即达到在工作波长满足要求的光学系统。
11
实例4 激光扩束镜的设计
设计要求
• 扩束倍率：60 • 入射口径：0.5-1mm • 出射口径：30-60mm • 工作波长：1053nm • 检验波长：632.8nm • 像质要求：波像差</8(=1053nm)
光学设计实例双胶—光学设计实例
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优化实例（3）
7
优化实例（3）
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优化实例（3）
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主要内容
• 光学设计软件ZEMAX简介 • 优化实例
1-单透镜 2-双胶合透镜 3-非球面单透镜 4-激光扩束镜 5-显微镜物镜 6-双高斯照相物镜
• 公差计算
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结构型式
• 由聚焦镜组+准直镜组构成 • 重点校正准直镜组的像差，因为其口径大 • 主要是球差与小视场彗差 • 准直镜组为双分离结构
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实例4 激光扩束镜的设计
消色差设计结果