(完整版)基于ZEMAX的激光扩束系统设计开题报告

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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

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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”的书写，应按照国标GB 7714—87《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0201140102，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 7408—94《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.

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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 (完整版)基于ZEMAX的激光扩束系统设计开题报告

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“Φ300 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Φ300mm ，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. (完整版)基于ZEMAX的激光扩束系统设计开题报告

图1.1 Φ300 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/10［17］.

1。3 ZEMAX概述

ZEMAX[18］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(完整版)基于ZEMAX的激光扩束系统设计开题报告

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 (完整版)基于ZEMAX的激光扩束系统设计开题报告

［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: 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 Press， 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。 (完整版)基于ZEMAX的激光扩束系统设计开题报告

［18］ ZEMAX Development Corporation.Software For Optical Design.January

6， 2003.

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毕 业 设 计 开 题 报 告 ２．本课题要研究或解决的问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x30,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x30的要求。

首先，使激光器发射出的光束通过透射式扩束系统，实现第一级扩束比大于x5。

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x6。

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21e=1.副镜的偏心率22e=221-1）（）（，只与副镜放大率有关。当副镜的放大率时，卡塞格林