激光准直计算及准直透镜选型

激光准直扩束设计和仿真激光准直扩束是激光器应用中非常重要的一个步骤，主要作用是将激光束聚焦到目标区域或者将激光束展宽以达到特定的要求。

激光准直扩束的设计和仿真是一项复杂而且关键的工作，需要考虑多个因素，包括光学元件的选择、参数的调整以及系统的优化等。

本文将从几个方面进行介绍。

首先，激光准直扩束的设计需要选择合适的光学元件。

常见的光学元件有透镜、棱镜、光栅等，根据具体的需求选择合适的元件非常重要。

比如，如果需要将激光束聚焦到一个小点上，可以选择具有较大的焦距和透镜，或者使用一些特殊形状的透镜来实现更复杂的光束变换。

而如果需要将激光束展宽，可以选择具有较小的焦距和透镜，或者使用一些特殊的棱镜或光栅来实现。

其次，激光准直扩束的设计还需要进行参数的调整。

激光束的准直性和扩束性通常可以通过调整准直角度和扩束角度来实现。

准直角度是指入射光束与出射光束之间的夹角，过大或者过小的准直角度都会导致光束的偏离。

扩束角度是指入射光束的展宽程度，过大或者过小的扩束角度都会导致光束的失焦。

因此，通过合理的参数调整可以达到最优的准直扩束效果。

最后，激光准直扩束的设计还需要进行系统的优化。

在设计过程中，需要综合考虑各种因素，如光学元件的质量、激光束的功率损耗、光学系统的稳定性等。

这就需要通过仿真软件对光学系统进行模拟和分析，以评估系统的性能和优化系统的设计。

常用的光学仿真软件有ZEMAX、CODEV 等，通过这些软件可以对激光准直扩束进行精确的模拟和分析，为系统的实际制造提供参考。

总结起来，激光准直扩束的设计和仿真是一项复杂而且关键的工作，需要综合考虑多个因素。

通过选择合适的光学元件、调整参数和优化系统设计可以实现最优的准直扩束效果。

同时，借助光学仿真软件可以对光学系统进行精确的模拟和分析，提高系统设计的效率和准确度。

第二章 激光准直原理第一节 光的衍射现象一切波动都能绕过障碍物向背后传播的性质。

例如：户外的声波可绕过树木，墙壁等障碍物而传到室内，无线电波能绕过楼房，高山等障碍物传到收音机、电视里等。

波遇到障碍物时偏离原来直线传播的方向的现象称为波的衍射 日常生活中的光的衍射现象不明显的原因310aλ衍射现象不明显 1-2-1010a→≈λ衍射现象显著 110a1-→≈λ逐渐过渡为散射首先我们来做一个实验，让一单色强光源(激光)发出的光波，通过半径为ρ且连续可调的小圆孔后，则在小圆孔后的屏上将发现：当ρ足够大时，在原屏上看到的是一个均与照明的光斑，光斑的大小为圆孔的几何投影。

这与光的直线传播想一致。

如图：随着ρ的逐渐变小，屏上的光斑也逐渐减小，但当圆孔减小到一定程度时，屏上的光斑将逐渐扩展，弥漫。

光强出现分布不均匀，呈现出明暗相间的同心圆环，且圆环中心出现时亮时暗的变化。

光斑的扩展弥漫，说明光线偏离了原来的直线传播，绕过障碍物，这种现象称为光的衍射。

再来做一个实验，用一束激光照射宽度连续可调的竖直狭缝，并在数米外放置接受屏，也可以得到衍射图样。

逐渐减狭缝的宽度，屏上亮纹也逐渐减小，当狭缝的宽度小到一定程度，亮纹将沿于狭缝垂直的水平方向扩展。

同时出现明暗相间的衍射图样，中央亮纹强度最大，两侧递减，衍射效应明显，缝宽越窄，对入射光束的波限制越厉害，则衍射图样扩展的越大，衍射效应越显著。

一、光的衍射定义：光绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影，并在屏幕上出现光强分布不均匀的现象二、产生条件：障碍物的线度和光的波长可以比拟的时候三、衍射规律：1.光在均匀的自由空间传播时，因光波波面未受到限制，则光沿直线传播。

当遇到障碍物时，光波面受限，造成光强扩展，弥漫，分布不均匀，并偏离直线传播而出现衍射现象。

2.光波面受限越厉害，衍射图样扩展越显著。

光波面在衍射屏上哪个方向受限，接受屏上的衍射图样就在哪个方向扩展。

第二节惠更斯——菲涅耳原理一、惠更斯原理1．波面：等相位面2. 任何时刻波面上的每一点都可作为次波的波源，各自发出球面次波；在以后的任何时刻，所有这些次波面的包络面形成整个波，在该时刻的新波面——“次波”假设。

【快速⼊门】激光的聚焦和准直激光是单波长的光源，具有良好的相⼲性能，在科研和⼯业等领域有着⼴泛的运⽤。

激光光学泛指⽤于激光内外光路中的光学元件和器件，例如,激光聚焦镜、反射镜、扩束镜、激光切割头。

为了让⼩伙伴们能直观地理解激光的聚焦和准直的概念，⼩编通过应⽤案例的形式为⼤家进⾏讲解。

应⽤1：准直光束的聚焦作为第⼀个案例，我们来看⼀个⾮常普遍的应⽤，把激光光束聚焦到⼀个很⼩的焦点上，如图⼀所⽰。

我们有⼀束激光，光束半径为y1，发散⾓为θ1，它通过⼀个焦距为f的透镜聚焦。

如图所⽰，我们有θ2= y1/f。

光学不变量定律（y2θ2 = y1θ1）告诉我们，聚焦光斑的半径和发散⾓的乘积是个常量，因此可以得到y2= θ1f。

图⼀让我们看⼀个具体的例⼦，使⽤⼀个LBK-5.9-10.3-ET1.9型号的平凸透镜对⼆氧化碳激光器的出射光束进⾏聚焦。

假设⼆氧化碳激光器的光束直径为3 mm，全发散⾓为6 mrad。

上述公式中的参数采⽤光束半径和半发散⾓，因此有y1= 1.5 mm 和θ1 = 3 mrad。

LBK-5.9-10.3-ET1.9的焦距为10.3 mm。

因此，聚焦后焦点的半径为y2= θ1f =30.3 µm，也就是光斑直径为60.6µm。

我们假定使⽤了完美⽆相差的透镜。

如需进⼀步减⼩焦点，我们必须使⽤短焦距的透镜或者⾸先对激光进⾏扩束。

若这两种办法都受限于系统设计⽆法改变，那么60.6 μm就是我们可以实现的最⼩聚焦光斑。

另外，光的衍射效应可能使实际的光斑更⼤⼀些，但在⽬前的讨论中我们不考虑波动光学的影响，只在⼏何光学的范畴中讨论。

应⽤2：点光源出射光的准直另⼀个⽐较常见的应⽤是对从很⼩的⼀个光源发出的光进⾏准直，如图⼆所⽰。

通常称这种光源为点光源。

但是现实中没有绝对意义上的点光源，任何光源都有⼀定的尺⼨，需要在计算中加以考虑。

图⼆中的点光源半径为y1，最⼤发射⾓度为θ1。

如果⽤⼀个焦距为f的透镜对出射光进⾏准直，那么得到的准直光束的半径为y2= θ1f，发散⾓为θ2 = y1/f。

激光准直原理激光准直是指将激光束从发散状态变为平行或近似平行的过程，是激光技术中非常重要的一环。

激光准直技术在各种激光应用中都有着广泛的应用，比如激光测距、激光传输、激光加工等领域。

本文将介绍激光准直的原理及其相关知识。

激光准直的原理主要涉及激光的特性和准直元件的作用。

首先，激光的特性决定了它与普通光的区别，激光是一种高度相干、定向性好、波长狭窄的光。

这些特性使得激光在传输过程中能够保持较好的方向性和聚焦性，但是在远距离传输时，由于大气折射等因素会导致激光束发散，因此需要进行准直处理。

其次，准直元件的作用是通过光学方法来改变激光束的传播方向和角度，使其变得更加平行。

常用的准直元件有准直透镜、准直棱镜、准直光栅等。

这些准直元件能够根据激光的波长和特性进行设计，通过透镜的曲率、棱镜的折射等方式来实现激光的准直处理。

在实际的激光准直过程中，需要根据具体的应用需求选择合适的准直元件，并结合激光的特性进行设计和调整。

同时，还需要考虑到环境因素对激光传输的影响，比如大气折射、湿度、温度等因素都会对激光的准直效果产生影响，因此需要进行相应的补偿和校正。

除了传统的光学准直方法，近年来还出现了一些新的激光准直技术，比如自适应光学技术、相位共轭技术等，这些新技术能够更好地应对复杂环境下的激光准直需求，提高激光准直的精度和稳定性。

总之，激光准直是激光技术中至关重要的一环，它直接影响着激光在各种应用中的传输效果和加工质量。

通过对激光特性和准直元件的合理设计和选择，结合新技术的应用，能够更好地实现激光的准直处理，推动激光技术在各个领域的应用和发展。

激光准直仪操作规程激光准直测量系统由半导体激光器、光学分光及转向系统、光电接收系统及液晶显示模块组成。

激光光束经转向系统后出射两条相互平行基准光束,作为导轨安装检测基准。

该系统利用二维PSD作为光电接收器件,采取液晶显示模块显示导轨偏差,可快速、直接、正确地测量导轨安装偏移量,从而提升导轨安装精度和速度。

试验结果显示测量系统在X,Y方向上标准偏差分别为：0.002mm,0.005mm。

1、关键参数2、主机由半导体激光器、空间位相调制器、壳体、底座、和电源所组成。

3、激光准直仪特点和工作原理1）仪器特点是采取了空间位相调制器。

激光束在任意测距上，其横截面均为一组良好、红黑反差很大同心圆环，中心光斑亮且小，利于定位。

而且在不一样测距进行测量时是不用调焦，实现了无调焦运行差。

中心光斑直径伴随工作距离增大而增大，符合下列参数:L=2.5米时Ø0.1mmL=20米时Ø1.2mmL=50米时Ø2.5mm2）将仪器固定在主机回转轴上后用百分表测量仪器端部测环在盘车处于不一样位置时差值，经过调整仪器底座上调整螺钉，使其差值越来越小，只要主机轴系配合良好，能够调至±0.02~0.03mm。

然后利用置于远离主机15米左右平面反射镜，将仪器射出激光束反射至在仪器周围测微光靶。

在主机盘车时调整仪器壳体上四只调整螺钉，（必需时合适调整反射镜角度），使反射回来激光束画圆半径越来越小，最终调至±0.1mm以内为止，此时应再次检验盘车360°时，百分表所显示波动值范围和测微光靶测量差值，正确无误时即可用此光轴替换主机机械轴。

3）二维测微光靶二维测微光靶是用来统计和测量主机盘车时光轴改变量。

二维测微光靶是由光靶和在X、Y两个自由度上测微百分表所组成，光靶本身带有卡具和折射棱镜，为安装和读数提供了方便条件。

测微光靶工作范围是±4.5mm。

测量精度为±0.01mm。

激光准直透镜光学设计激光准直透镜是一种广泛应用于光学系统中的重要光学元件。

它能够将入射光束进行准直，使其变为平行光束，有助于光束的传输和聚焦。

本文将主要介绍激光准直透镜的光学设计原理、常见的设计方法以及一些应用实例。

激光准直透镜的光学设计原理主要基于几何光学的理论。

准直透镜可以通过选择适当的镜面曲率和厚度来实现光束准直的效果。

当光线通过透镜时，它们会遵循折射定律，即入射角和折射角之间的关系。

通过调节透镜的曲率和厚度，可以改变光线的折射角，从而实现光束的准直。

对于激光准直透镜的光学设计，常见的方法包括基于光线追迹的方法和基于几何光学的解析法。

光线追迹的方法可以通过计算入射光线的传播路径来确定透镜的形状和位置。

解析法则是通过建立透镜的光学模型来计算透镜的曲率和厚度。

这些方法可以根据实际需求选择合适的设计方法。

在激光准直透镜的应用中，有些重要的因素需要考虑。

首先是透镜的材料选择。

激光准直透镜通常要求具有良好的耐热性和较低的吸收率，以避免材料吸收激光能量从而引起热效应。

常用的材料包括硅、石英和光学玻璃等。

其次是透镜的曲率和厚度。

根据光束的直径和焦距，可以计算透镜的曲率和厚度，从而实现光束的准直效果。

此外，还需要考虑透镜的直径和形状，以适应实际应用中的光路要求。

激光准直透镜在实际应用中有许多重要的应用实例。

其中一个重要的应用是激光加工。

通过使用准直透镜，可以将激光光束准直后聚焦到工件表面，实现精细的切割、打孔和焊接等加工过程。

此外，激光准直透镜还可以用于激光测距仪、激光雷达和光通信等领域。

综上所述，激光准直透镜是一种重要的光学元件，具有广泛的应用前景。

对于激光准直透镜的光学设计，可以根据实际需求选择合适的方法进行设计，考虑透镜的材料、曲率和厚度等因素。

通过合理设计和选择，可以实现光束的准直效果，满足不同应用领域的需求。

半导体激光准直
半导体激光准直是指通过光学系统对半导体激光器发出的光束进行准直和整形，以提高光束的方向性、光斑的能量密度及光场的均匀度，从而扩大半导体激光器的应用范围。

半导体激光器发出的光束是存在固有象散的椭圆高斯光束，光强分布极不均匀。

为了提高发射天线的工作效率以及光纤通信中的耦合效率，需要对光束进行准直。

在准直过程中，一般会使用准直透镜保持架，并将其垂直竖置在热沉上。

准直透镜的选择非常重要，常用的有球面准直透镜、自聚焦准直透镜、非球面准直柱透镜和非球面反射准直镜等。

由于半导体激光器出射光束的发散角非常大，且相差较多，因此要求透镜的准直度非常高。

球面准直透镜和自聚焦准直透镜的准直度较低，一般不能满足准直要求。

而非球面准直柱透镜可以通过非球面处理来减小球差，提高准直度，并且可以避免使用多片准直透镜带来的复杂程度。

以上内容仅供参考，如需更多信息，建议查阅相关文献或咨询专业人士。

准直透镜参数
准直透镜的参数包括型号、工作波长、直径、焦距、工作距离、工作温度等。

以下是具体的参数说明：
1. 型号：准直透镜有多种型号，例如COL-UV/VIS、COL-90-UV/VIS、COL-UV/VIS-25和CL-UV等。

2. 工作波长：准直透镜的工作波长范围通常在200\~2500nm之间，例如COL-UV/VIS的工作波长范围为200\~2500nm。

3. 直径：准直透镜的直径有不同的规格，例如COL-UV/VIS和COL-90-
UV/VIS的直径分别为6mm和25mm。

4. 焦距：准直透镜的焦距也是一个重要的参数，它决定了透镜的聚焦能力。

例如，CL-UV的焦距为10mm，而COL-UV/VIS的焦距为和50mm。

5. 工作距离：工作距离是指准直透镜与被测物体的距离。

这一参数根据不同的型号和应用场景而有所不同，且通常可调。

6. 工作温度：准直透镜的工作温度范围也是选择透镜时需要考虑的因素。

例如，COL-UV/VIS的工作温度范围为-30°C到100°C，而CL-UV的工作温
度为120℃。

7. 连接器：准直透镜通常配有连接器，例如SMA905接头或UNS 1/4"标
准配置，可选FC/PC等。

以上参数仅供参考，具体参数可能会因不同型号和品牌而有所差异。

在选择准直透镜时，建议根据实际应用需求和预算进行综合考虑。

准直镜光斑计算
准直镜是一种常用的光学元件，用于将平行光束聚焦为点或者将点光源发散成平行光束。

在光学设计中，计算准直镜的光斑大小和形状是十分重要的。

光斑的大小和形状取决于准直镜的孔径和焦距、入射光束的大小和形状、以及准直镜表面的形态误差等因素。

通常采用计算光斑的束斑图或MTF曲线来分析准直镜的性能。

对于平行入射光束，准直镜的光斑大小可用以下公式计算：
Spot size = 2.44 * λ * f / D
其中λ是入射光的波长，f是准直镜的焦距，D是准直镜的孔径直径。

这个公式适用于理想的准直镜，不考虑表面形态误差和高阶像差。

对于实际准直镜，考虑到表面形态误差和高阶像差的影响，可以采用Zernike多项式进行计算。

通过计算Zernike系数和入射光束的高斯展开系数，可以计算得到准直镜的MTF曲线和束斑图。

准直镜的光斑大小和形状对于光学系统的成像质量和光强分布均有重要影响。

因此，合理计算准直镜的光斑是光学设计和优化的重要一环。

- 1 -。

为您的激光二极管选择准直透镜
由于我们的中红外激光器具有高发散特性，因此需要使用准直光学元件。

非球面透镜不会引入球差，常用于所需光束直径在1 - 5毫米的应用。

下方给出的简单例子说明了在针对给定应用选择正确透镜时应考虑的关键规格。

举例：
所用激光二极管：L780P010
所需准直光束直径：Ø3毫米（主轴）
L780P010激光二极管的规格表明其典型水平和垂直方向上的发散角分别为10°和30°。

因此，当光束传播时，将会出现椭圆形的光束。

为了在准直过程中尽量收集光线，因此在计算时应选用其中较大的发散角（即，在该情况下选用30°发散角）。

如果您希望将这种椭圆形的光束转换为圆形光束，我们建议使用变形棱镜对，它可以只在一个轴方向对光束进行扩束。

LD = 激光二极管
Ø = 光束直径
Θ = 发散角
根据上述信息，获得所需光束直径的透镜焦距可以由下式计算：
根据上述信息，这时就可以开始选择合适的准直透镜。

Thorlabs公司提供大量非球面透镜供用户选择。

对于上述情况，最理想的透镜是焦距在5.6毫米附近的-B增透膜模压玻璃非球面透镜。

C170TME-B（易安装）或352170-B
（未安装）非球面透镜的焦距为6.16毫米，通过它们可以得到直径为3.3毫米的准直光束（主轴）。

下一步，检查激光二极管的数值孔径（NA）是否会小于透镜，如果小于透镜，激光二极管发出的光束将会被透镜遮挡：:
0.30 = NA Lens > NA Diode ~ sin(15) = 0.26。

激光准直仪操作规程激光准直测量系统由半导体激光器、光学分光及转向系统、光电接收系统及液晶显示模块组成。

激光光束经转向系统后出射两条相互平行的基准光束,作为导轨的安装检测基准。

该系统利用二维PSD作为光电接收器件,采用液晶显示模块显示导轨偏差,可快速、直接、准确地测量导轨安装的偏移量,从而提高导轨安装的精度和速度。

实验结果显示测量系统在X,Y方向上的标准偏差分别为：0.002mm,0.005mm。

1、主要参数2、主机由半导体激光器、空间位相调制器、壳体、底座、和电源所组成。

3、激光准直仪的特点与工作原理1）仪器的特点是采用了空间位相调制器。

激光束在任意测距上，其横截面均为一组良好的、红黑反差很大的同心圆环，中心光斑亮且小，利于定位。

而且在不同测距进行测量时是不用调焦的，实现了无调焦运行差。

中心光斑直径随着工作距离的增大而增大，符合下列参数:L=2.5米时Ø0.1mmL=20米时Ø1.2mmL=50米时Ø2.5mm2）将仪器固定在主机的回转轴上后用百分表测量仪器端部的测环在盘车处于不同位置时的差值，通过调整仪器底座上的调整螺钉，使其差值越来越小，只要主机轴系配合良好，可以调至±0.02~0.03mm。

然后利用置于远离主机15米左右的平面反射镜，将仪器射出的激光束反射至位于仪器附近的测微光靶。

在主机盘车时调整仪器壳体上的四只调整螺钉，（必要时适当调整反射镜的角度），使反射回来的激光束画的圆的半径越来越小，最后调至±0.1mm以内为止，此时应再次检查盘车360°时，百分表所显示波动值的范围和测微光靶的测量差值，准确无误时即可用此光轴代替主机的机械轴。

3）二维测微光靶二维测微光靶是用来记录与测量主机盘车时光轴的变化量。

二维测微光靶是由光靶和在X、Y两个自由度上测微的百分表所组成，光靶本身带有卡具和折射棱镜，为安装和读数提供了方便条件。

测微光靶的工作范围是±4.5mm。

快轴准直柱面透镜
福津光电技术有限公司开发生产的63um芯径的快轴准直透镜主要应用于单个芯片激光器产品中。

根据光学设计需要，由于单芯片半导体激光器发射的激光在平行和垂直方向上带有发散角，因此在耦合入光纤之前需要光学准直，否则耦合效率很低，且容易烧坏光纤。

快轴准直透镜尺寸很小但对透镜的焦距，色散和非球面精度要求很高，所以单个透镜成本一直居高不下，但是使用福津开发的光纤柱面透镜可以很好解决成本问题。

图1.半导体激光器光纤耦合示意图
光纤柱面透镜使用不同直径的玻璃光纤（高纯度，无掺杂，单纤芯无包层，高折射率光学玻璃棒）柱面镀抗反膜，一般需要把多根一定长度的玻璃光纤平行固定在夹具上，然后装载到镀膜机上，进行柱面镀膜后再将单根玻璃光纤分割成小段供单个产品使用。

图2.光纤准直透镜63um（福津光电）图3.半导体激光准直。