HENE激光光束物镜优化设计
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实验三He-Ne激光器的横模、远场发散角、输出光功率的测量实验目的:掌握检测He-Ne激光器模式、远场发散角的一种方法,并且通过实验对He-Ne激光器的横模分布,光斑大小、发散角、激光功率有一感性认识。
实验原理:激光是六十年代发展起来的一门尖端科学。
激光不同于一般的光,它有四个独有的特性:高度的方向性、极好的相干性、高亮度以及单色性强。
正因为这些宝贵的特点使它在许多技术领域中得到广泛的应用。
He-Ne激光器是气体激光器中最先发明的一种激光器。
由于它结构简单、使用方便、工作可靠、制造比较容易,应用范围广,目前仍是最通用的激光器。
普通的He-Ne激光器基本上是由激光放电管和一对镀有多层介质膜的高反射球面镜组成,在图1中用放置在Z0和-Z0位置上的两个圆弧表示。
这两个反射镜组成激光器的光学谐振腔。
其中一个是全反镜,在工作波长上具有尽可能接近100%的反射率;另一个是输出反射镜,是在工作波长上具有特定透过率的部分反射镜。
反射镜准确调准产生的光束是发散的,如图1所示,也就是说其强度分布由光束的中心向光束边缘逐渐减少。
在光束截面上光通量密度分布是理想的高斯型的,这样的光称为“单模”,也称“TEM00”模式。
TEM00的发散角最小,可聚焦成尺寸最小的光点。
TEM00模是最合适的工作模式。
在图1中,Z0称为高斯光束的共焦参量....,其物理意义待后阐明。
在激光管的中心,即z=0处,光束最细,W称为最小光斑尺寸.........,或束腰、腰斑..。
在实验中使用的250mm的He-Ne激光器,激光波长为6328埃,是在可见光谱的红光部分。
一、H e-Ne激光器横模的测定检测激光波长为6328A的He-Ne激光器模式的最简便的方法是直接用眼睛或用放大镜观察距离激光器输出端4m以远的白屏上激光光斑的亮度分布。
此法只能作粗略的检查,要鉴定激光器输出的激光是否是严格的基模,则需要采用更为精确的方法。
在实验中,用硅光电池作探测器件,对激光光斑进行扫描,逐点记录硅光电池的光电流,得到一条激光远场某横截面上的光功率分布曲线。
实验报告课程名称: 指导老师: 成绩:__________________ 实验名称: He-Ne 激光器与激光谐振腔 同组学生姓名一、实验目的和要求(必填) 二、实验内容和原理(必填) 三、主要仪器设备(必填) 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析(必填)七、讨论、心得一、实验目的和要求本套实验装置的核心He-Ne 激光器,采用的是一种半内腔结构,激光器的一个全反射镜与毛细管、储气套等做成一体,并在出厂前将全反射镜与毛细管调至垂直。
而另一个半反射镜则被安装在一个精密二维调整架上,可灵活移动。
通过一准直光源调整激光管和半反射镜,使之产生激光。
用激光功率计检测这束激光并进一步调整膜片使之达到最佳状态(功率最大)。
观察光斑大小和光强分布。
用扫描干涉仪观察其纵膜的频谱分布情况。
调整工作电流,观察输出功率的变化。
重复移动半反射镜并重新使之达到最佳状态,观察光斑大小和分布变化,记录功率,用干涉仪观察纵膜,比较前后变化,分析腔长对功率、纵膜、横膜、发散角、束腰、腔型的影响。
在激光管与半反射镜之间插入一可调损耗,使之与增益刚好达到平衡,通过对损耗的测量,求得 激光管的增益。
通过实验,掌握激光调谐的原理和技巧,验证谐振腔理论和有关增益的概念,全面、深入地了解激光器的结构、特性、工作条件和相关理论。
二、 实验内容和原理1.改变工作电流,观察电流与输出功率的关系。
(在超过5mA 的大电流时,工作时间不可过长。
) 2.腔长与激光功率、横模、纵模、束腰、发散角的关系1)设备调试完成后,用功率计测量其最大功率。
用显示屏在全反射端一定距离处(2-3米)观察光斑的大小和形状,光斑的大小反应了发散角的大小,光斑的形状即为激光的横模。
观察半反射镜上的光斑(束腰)大小。
在半反射镜端装上F-P 扫描干涉仪探头,观察纵模情况。
装订线专业: 姓名: 学号:日期: 10.21 地点:2)松开反射镜架滑块上的螺钉,移动反射镜,在适当位置上重新锁紧,以改变谐振腔的腔长和腔型。
氦氖激光器的调腔实验(北京师范大学物理系)摘要:本实验分别通过准直法和十字叉丝法来调节谐振腔两端腔镜的位置,使得两个腔镜平行且和毛细管垂直,发射激光,并通过统调法获得最强激光。
理论:激光器由激励电流、增益介质和谐振腔组成,如图1。
对He-Ne激光器而言增益介质就是在两端封有布儒斯特窗的毛细管内按一定的气压充以适当比例的氦氖气体,当氦氖混合气体被电流激励时,与某些谱线对应的上下能级的粒子数发生反转,使介质具有增益。
介质增益与毛细管长度、内径粗细、两种气体的比例、总气压以及放电电流等因素有关。
对谐振腔而言腔长要满足频率的驻波条件,谐振腔镜的曲率半径要满足腔的稳定条件。
总之腔的损耗必须小于介质的增益,才能建立激光振荡。
由于介质的增益具有饱和特性,增益随激光强度增加而减小。
初始建立激光振荡时增益大于损耗,随着激光的增强而增益逐渐减小直到增益等于损耗时才有持续稳定的振荡。
图1 激光器原理图实验内容:1.清洗镜头在清洗镜头时候可以通过腔镜的具体情况选择合适的清洗方法,首先应用洗耳球吹去镜头上的灰尘等颗粒物,对于软膜我们采用拖曳的方法,首先将镜头放置在水平的桌面上,取一张镜头纸并将光滑一面放置在镜头上,并且在此之前确保不会用手去接触光滑面,在擦镜纸上接触镜头的部位滴一到两滴丙酮试剂,轻轻拖曳擦镜纸的一端直到整张擦镜纸擦过镜头。
图2 软膜清洗法对于硬膜,洗耳球吹去镜头上的灰尘等颗粒物之后,将镜头着对折,如图,用止血钳夹住擦镜纸,露出一段,在露出一端上滴一到两滴丙酮,轻甩之后擦拭镜头,擦拭的过程保证擦拭方向永远朝着一个方向,不来回擦拭。
图3 硬膜清洗法2.准直法调腔用具:He-Ne激光器、准直激光器、贴有白纸的立板。
步骤:(1)通过上述方法清洗完镜头和布儒斯特窗后,打开准直激光器;(2)首先调节准直激光器的上下高度和俯仰角度,使得准直激光器打出来的光与毛细管的中心在同一水平线上;(3)将准直激光器固定在谐振腔一端的前段,将激光穿透整个毛细管,此时可以调节准直激光器的横向位移和左右偏移动,直到穿透的光打在对面的白纸上呈现同心圆环状;(4)装上阴极反射镜,调整反射镜的左右偏转和俯仰,使反射回的激光与出来的激光重合出现在准直激光器镜头上的正中心;(5)装上阳极反射镜,调整反射镜的左右偏转和俯仰,使反射回的激光出现规则的明暗变化;(6)关闭准直激光器,打开He-Ne激光器电源,观察有无激光出现,如果没有可以先松动阳极反射镜并轻微晃动,如果发现偶尔有激光出现则再次安装好阳极反射镜并轻微调整阳极反射镜,直到有激光出现,如果无论如何晃动都没发现激光则证明阴极反射镜没有装好或者之前的准直调节没有调好,则重复上述过程重新来调,直到有激光出现。
3B SCIENTIFIC ®PHYSICS1He-Ne laser U21840Instruction sheet01/07 Alf1 Plug-in power supply2 Lever for neutral filter3 Light outlet with thread for microscope objective4 Stand rod5 Key switch6 Indicator lamp1. Safety instructionsThe He-Ne laser, U21840, emits visible radiation ata wavelength of 630-680 nm with a maximum power of less than 1 mW, thus conforming to class 2 regulations as specified in DIN EN 60825-1 “Safety of lasers”, i.e. the human eye can be protected by the instinctive reaction to turn away and blink.• Do not look straight into the laser beam or any reflected beam.• Lasers should only be operated by trained and authorised personnel.•All those people participating in or observing an experiment must have been informed of the dangers inherent in laser radiation and edu-cated regarding protective measures. •Experiments may only be performed using the minimum power output required in each spe-cific instance.• Ensure that the beam is not directed at eye level.•Use suitable screening to isolate the area around the laser and avoid unwanted reflec-tions.•Any rooms in which laser experiments take place should be labelled with warning signs.•Observe the regulations valid in the respective country where the experiment is being per-formed, e.g. Germany’s health and safety regu-lations BGV B2 “L aser radiation”, and any stipulations set by the relevant ministry. •Keys should be carefully stored so that they cannot be accessed by unauthorised persons.Safe operation of the He-Ne laser is guaranteed, provided it is used correctly. However, there is no guarantee of safety if the equipment is used in an inappropriate or careless manner. If it is deemed that the equipment can no longer be operated without risk (e.g. visible damage has occurred), the laser should be switched off immediately and se-cured against any unintended use.• Before putting the equipment into operation,check for any signs of damage. In the event of any malfunction or visible damage, turn off the laser and put it away so that it cannot be used unintentionally.• Due to internal operating and triggering volt-ages which can be hazardous to life, never open the housing.3B Scientific GmbH • Rudorffweg 8 • 21031 Hamburg • Germany • Subject to technical amendments.2. DescriptionThe He-Ne laser is a coherent, monochromatic light source for experiments on reflection, refraction, diffraction and interference, for the creation and display of holograms, as well as for rotating the plane of polarisation (saccharimetry, Kerr effect, Faraday effect).The He-Ne-L aser has an anodised metal housing with a key switch and a neutral filter for attenuat-ing the beam. Power is supplied via a plug-in power supply unit. To disperse the beam, micro-scope objectives may be screwed onto the light outlet.2.1 Scope of delivery 1 He-Ne laser 2 Key2 Stand rods (long and short) 1 Plug-in power supply2.2 Accessories For beam dispersal:e.g. achromatic objective 4x / 0.10 W306133. Technical dataOutput power:< 0.2 mW, max. 1 mW (without filter), class 2Wavelength: 633 nm Beam diameter: 0.48 mm Beam dispersal: 1.7 mradMode: TEMoo Polarisation: Random Lifespan: > 12000 hours Power supply: 12 V DC, 1 A Dimensions: 200 x 40 x 50 mm Weight: 0.6 kg approx.4. Operation•Plug the power supply for the laser into the mains.• Turn the key 90° to the right to switch on thelaser.A laser beam may emerge immediately or after a few seconds (if the equipment has not been used for some time). An indicator lamp lights when the laser is switched on.• To turn off the laser turn the key 90° to theleft.• To select the power of the laser, the filter levermay be set to the required position so that the neutral filter is swung in or out of the beam. • For dispersal of the beam, screw a microscopeobjective onto the thread.。
He-Ne激光器实验研究日期2014年6月30日实验目的:通过对激光器主要结构的认识,利用各个组件安装完成激光器,进而测量激光的输出特性,了解激光的工作特性,输出光斑的模式特性,以便掌握激光有关知识并更好应用到科技创新中。
实验器材:He-Ne激光放电管,激光电源,反射镜,准直激光器,激光功率器,擦镜纸课题意义:1917年爱因斯坦提出了受激辐射的概念,但在一般热平衡情况下,物质的受激辐射总是被受激吸收所掩盖,未能在实验中观察到受激辐射现象。
1953年,汤斯研究小组发现了微波的受激辐射,这为实现光频波段的受激辐射奠定了基础。
1960年梅曼制造了光频波段的第一台红宝石激光器,这标志了激光的诞生。
按工作物质的类型不同,激光器主要可以分成四大类:固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。
He-Ne激光器是继红宝石激光器后出现的第二种激光器,也是目前使用最为广泛的激光器之一。
He-Ne激光器价格低,结构简单,是了解激光器工作原理非常理想的实验选择。
激光的工作原理涉及到光学、电学、量子力学、原子物理等许多基本物理学知识和实验技能,因此,通过组装一台He-Ne激光器的实验,对于了解激光器构造、激光器工作原理、特性,巩固和综合运用所学的物理知识以及了解激光器的应用很有意义。
实验原理和步骤谐振腔的认识开腔He-Ne激光器主要由两个带调节支架的反射镜、激光放电管及电源、准直激光器、滑轨、功率计等部件组成。
He-Ne激光器由于采用毛细管放电的形式,大多数采用了平—凹腔结构。
凹面镜用作谐振腔的全反镜,一般会标明“R=***”R代表凹面镜的曲率半径。
平面镜用作输出镜,镜上会标明“plane,T=***%”等字样,T代表平面镜的透过率。
如果没有标明,可以用准直激光分别照射两反射镜,透过率小的为凹面镜。
谐振腔调节前首先要分清平面镜、凹面镜,因为两镜的调节技巧差别较大。
谐振腔调节谐振腔调节前应用擦镜纸将各镜面及激光管的布儒斯特窗擦拭干净,尽量减少损耗。
以球面的光学镜头第2个实例镜片,要校经过少量的对于每差及要校正步优化后的好的结果,2.1 He本节利较大、视场过程中,先初始结构,评价函数,体设计任务1) 物2) 此3) 几4) 镜2.1.1镜头1.低先看看与玻璃表中f =60mm ,径取为30透镜厚度取面构成的光头了。
本章例是激光扫校正的像差的优化步骤每一个设计正像差的权的结果以及,并便于分e-Ne 激光利用ZEMA 场较小的光先用具体的,针对每一,最终找到务的要求如物距 ∞,视此镜头只需校几何弥散圆直镜头结构尽量头片数及玻璃低折射率单片看用一块镜中的其他玻相对孔径D 0mm ,令透取为6mm ,第2光学镜头中,章给出三个简扫描物镜,第差数目较少骤即可达到设计实例,这里权重,给出所及最后结果分析比较。
光光束聚AX 程序优光学镜头,它的计算结果初一个初始结构到多个像质较如下:视场角ω=0校正轴上点直径小于0量简单,争璃选择的考片的像质 镜片作此物镜玻璃相比,D/f = 1/2,透镜的第一面这一步在章 简,若要考虑简单镜头的第3个实例。
优化时,设计要求。
里都给出完所施加的边。
详细罗列聚焦物镜化设计一个它在单色光初步讨论玻构,分别采较优的解。
0°;焦距f 点球差。
.002mm 。
争取用两块镜考虑和初步分镜,像差状况它的折射率ω=0°的激面半径作变在计算机上输简单镜头虑适当校正的优化设计实例是低倍显它们的变作为学习光完整的优化边界条件及列的目的在镜设计个激光光束光波长下工玻璃的选择采用适当的这些优化=60mm ;相镜片达到要分析况如何。
玻璃率算是比较激光光束聚变量,第二面输入初始数头设计像差,则由实例,笫微物镜。
它量容易选择光学镜头的路径,给出其权重,给于初学者可聚焦物镜。
作,成像质和透镜片数评价函数。
结果表明,相对孔径D/要求。
璃采用普通较低的。
利用焦物镜。
光面半径用以数据的过程中计实例由两块镜片1个实例是它们的结构择,它们的的优化设计出选择的变给出关键的可以追踪整激光光束质量要达到数的考虑,并有针对像质优良/f =1/2;工作通的K9,折射用ZEMAX 光阑放在透以保证物镜的中可以完成组成的镜头是激光光束聚构都很简单,评价函数容,由此容易变量,给出要优化阶段,个优化过程束聚焦物镜是衍射受限水然后选择几对性的逐步调的解不是唯作波长λ =0射率n 0.6328X 程序设计透镜的第一面的相对孔径成:头是最简单聚焦物镜,只有两块容易构造,易入门。
氦氖激光束的模式分析1958年法国人柯勒斯(Connes)根据多光束的干涉原理,提出了一种共焦球面干涉仪。
到了60年代,这种共焦系统广泛用作激光器的谐振腔。
同时,由于激光科学的发展,迫切需要对激光器的输出光谱特性进行分析。
全息照相和激光准直要求的是单横模激光器;激光测长和稳频技术不仅要求激光器具有单横模性质,而且还要求具有单纵模的输出。
于是在共焦球面干涉仪的基础上发展了一种球面扫描干涉仪。
这种干涉仪以压电陶瓷作扫描元件或用气压进行扫描,其分辨率可达107以上。
共焦腔结构有许多优点。
首先由于共焦腔具有高度的模简并特性,所以不需要严格的模匹配,甚至光的行迹有些离轴也无甚影响。
同时对反射镜面的倾斜程度也没有过分苛刻的要求,这一点对扫描干涉仪是特别有利的。
由于共焦腔衍射损失小而且在反射镜上的光斑尺寸很小,因此可以大大降低对反射面的加工要求,便于批量生产、推广使用。
【实验目的】1.了解扫描干涉仪原理,掌握其使用方法。
2.学习观测激光束横模、纵模的实验方法。
【实验仪器】WGL-4 型氦氖激光器模式实验装置 (含氦氖激光器及其电源、扫描干涉仪、高速光电接收器及其电源、锯齿波发生器、示波器。
)【实验原理】一、激光器模的形成激光是由受激辐射产生的。
在光子作用下,当高能级的粒子向低能级跃迁时,产生一个和入射光子频率,相位及传播方向相同的光子,称为受激辐射。
在热平衡情况下,原子的能量按玻尔兹曼分布。
当原子受外界能量激励时(称泵浦),从低能级跃迁到高能级,泵浦方式可能是光激励,碰撞激励,热激励,化学激励等。
介质经过泵浦可出现高能级粒子布居数超出低能级的情况,这种违反玻尔兹曼分布的情况称为粒子数反转。
在实现粒子数反转的情况下,受激辐射可以大于受激吸收,从而产生光放大。
因此,实现粒子数反转是激光产生的基本条件。
He—Ne激光器的工作物质是He 、Ne混合气体,泵浦方式为气体放电。
气体放电引起粒子碰撞,碰撞激发He原子,He原子的能量经共振转移交给Ne原子,使Ne 原子的3S2、2S2能级的粒子布居数超过比它低的3P4、2P4能级。
He-Ne激光器高斯光束腰斑测量实验He-Ne激光器高斯光束腰斑测量一、实验目的1、加深对高斯光束物理图像的理解;2、加强对高斯光束传播特性的了解;3、掌握用CCD法和刀口法测量高斯光束光斑大小;4、了解并掌握远场发散角的定量测量方法;二、实验设备He-Ne激光器、激光电源、光功率计、滤光片、衰减片、CCD相机、光学光具座、示波器、数据采集卡、计算机等。
三、实验原理(一)CCD测量法实验系统结构如右图所示:实验中,将光具座导轨上的CCD相机沿着激光传播方向均匀移动,实时地记录CCD相机在光具座标尺上的不同位置以及对应的纵向平面上的光斑尺寸。
光斑半径ω(z)---定义为在光束传播方向上z处的横截面内圆形光斑半径,可表示为(1)利用公式(1)可得(2)对于两个不同的位置,有(3)即:(4)以(若对精度有更高要求,可适当增加小数位数)为判据,选择适当步长逐步减小测量所得的最小光斑半径,将每次减小后的光斑半径值与测量所得任意两个刻度处的光斑半径叠带入式(4),运用光腰判据进行光腰半径的求解;同时利用可求解出远场发散角。
(二)刀口测量法1、实验装置如图所示2、实验原理:相比于CCD法,刀口法适用于高功率激光的质量分析。
在理论上是根据光腰的定义(强度的)即能量下降到中心光斑能量的86.5%来测量。
但是由于刀口方向(Y轴向)的积分范围的扩大,光束腰的界定一般以能量下降到95.4%为准。
所以在高斯激光束束腰处横截面内的强度分布可表示为:(5)式中为激光的总功率,为按照强度所定义的腰斑半径。
对于高斯光束,场并不是局域于的范围内,如上图所示,在Y方向上应延伸到无穷远,只是在的区域内光强很弱。
以为半径的范围内的光强占总光强的百分比为:所以以为半径的范围内的光强能量占总光强能量的86.466%。
如果按照刀口测量时的实际范围,则由此可见,实际测量时测出的光强与总光强能量的比值为95.44%,比原来的比值要大得多。
四、实验内容(1)用刀口法确定高斯光束束腰在不同位置所对应的光斑半径并计算远场发散角(2)用CCD法观察高斯光束图样五、实验步骤(一)刀口测量法1.在刀口未切割光束情况下,调整激光在光具座上的方向及位置;2.将光束对准功率计;并调整,根据功率计的读数最大值来确定光功率计处于最佳接收状态;3.在激光和光功率计之间放一个微型小孔(针孔挡片),让挡片在光束传播方向来回移动,通过光功率计的读数,找到最大值处,即该处为光束束腰位置(测量时,该处也是刀口位置),并固定好光功率计;4.取走挡片,记录功率计的最大读数,此为激光光束的总功率;5.用刀口代替挡片,旋动刀口测微螺母,让刀口切割光束,直至光功率计的读数为,记录该处测微螺母的读数;再继续选装测微螺母至处,并记录该处读数为,得出(高斯激光束束腰在该处的直径).6.移动刀口位置,并记下不同位置所对应的束腰直径ΔX待数据记录好后整理实验仪器并惊醒数据的分析与处理。
实验一:He-Ne 激光器谐振腔调整和激光特性的测量一、实验目的:1.了解He-Ne 激光器的构造。
2. 观察并测量He-Ne 激光器的功率、发散角等特性参数。
3. 调整谐振腔一端的反射镜,观察谐振腔改变后He-Ne 激光器性能参数的变化。
4. 了解外腔He-Ne 激光器的偏振态。
5. 通过光栅方程来验证He-Ne 激光的波长。
二、实验内容:1. He-Ne 激光器发散角测量由于远场发散角实际是以光斑尺寸为轨迹的两条双曲线的渐近线间的夹角,所以我们应延长光路以保证其精确度,此时需要在前方放置反射镜。
可以证明当距离大于λωπ207时所测的全发散角与理论上的远场发散角相比误差仅在1%以内。
(1)确定和调整激光束的出射方向,放置一个反射镜来延长光路。
(2)在光源前方L1处用光功率计检测,在与光轴垂直的某方向延正负轴测量并绘出光功率/位移曲线。
(3)由于光功率/位移曲线是高斯分布的,定义Pmax/e2为光斑边界,测量出L1位置的光斑直径D1。
(4)在后方L2处用光功率计同样测绘光强/位移曲线,并算出光斑直径D2。
(5)由于发散角度较小,可做近似计算,θ2=D2-D1/L2-L1,便可以算出全发散角2θ。
2 .利用光栅方程验证波长。
He-Ne 激光器的波长是623.8nm, 通过光栅方程可以验证激光器的波长值。
观察衍射图样,统计出衍射级数j 。
根据三角公式,计算出衍射角θ。
由于光栅常数d 已知,根据光栅方程可以计算出激光波长。
),2,1,0(sin ±±==j j d λθ1. 观察He-Ne 外腔激光器模型,了解各部分构造及工作原理。
He-Ne 激光器的组成包括有:共振腔(由放电毛细管和反射镜组成)、工作物质(有氦氖气体按一定比例组成)、放电电源(通常多采用直流高压电源)。
当氦氖激光器的电极上加上几千伏的直流高压后,管内就产生辉光发电,对工作物质进行激励从而引起受激辐射,经共振腔进行光放大以后,即产生激光输出。
圆孔液晶透镜的ZEMAX设计与优化杨兰;蔡晓梅;周雄图;郭太良;叶芸【摘要】液晶透镜是自由3D显示的新器件,其原理是利用基于向列相液晶指向矢随外加电场作用发生变化的光电特性.本文提出一种简易准确的透镜参数设计和优化方案.以单圆孔结构的液晶透镜为例,利用光学软件ZEMAX和焦距缩放法对圆孔结构的液晶透镜的参数加以设计并优化.分析液晶透镜的像差,评价成像质量.结果表明,优化后的液晶透镜的像差明显减小,3.5°视场下,弥散斑均方根半径RMS值由248.118μm减小到62.192μm,为原来的25.1%;光学调制传递函数MTF值明显改善.最后实验测试验证了液晶透镜阵列的衍射光斑亮度及清晰度均显著提高.%Liquid-crystal lenses are new devices for free 3D display, its photoelectric properties are controlled by electric field. The accurate design and optimization method of lens parameters were presented in this paper. Based on the optical software ZEMAX and the focal length zoom method, the parameters of LCDs were designed and optimized. Then, the aberration of liquid crystal lens and image quality were evaluated. it is proved that the optimized liquid crystal lens aberration decreases evidently. The dispersion spot root mean square radius (RMS) value decreases from 248. 118μm to 62. 192 μm with 3. 5° view and the optical modulation transfer function MTF is improved. The ex-perimental results show that the brightness and clarity of the diffractive lens array are significantly improved.【期刊名称】《发光学报》【年(卷),期】2017(038)012【总页数】7页(P1688-1694)【关键词】液晶透镜;调制传递函数(MTF);光学设计;像质评价【作者】杨兰;蔡晓梅;周雄图;郭太良;叶芸【作者单位】集美大学理学院,福建厦门 361021;集美大学理学院,福建厦门361021;福州大学物理与信息工程学院, 福建福州 350116;福州大学物理与信息工程学院, 福建福州 350116;福州大学物理与信息工程学院, 福建福州 350116【正文语种】中文【中图分类】TN141液晶具有较大的光电各项异性,是很好的光电材料,已经广泛地应用于各类光学器件,如液晶显示器[1]、液晶滤波器、液晶透镜[2]、液晶相位延迟器[3]等。
淮海工学院
课程设计报告书
课程:光电子元器件认知、设计与制作(五)
-----光学设计
题目:He-Ne激光光束聚焦物镜优化设计实例学院:理学院
专业:光信息科学与技术
班级:光信131
姓名:傅爽
学号: 2013122655
指导教师:陆金男
2016年6月29日
目录
一、设计任务 (3)
二、镜头片数及玻璃选择的考虑和初步分析 (3)
2.1 单片低折射率的情况 (3)
2.2 单片高折射率的情况 (4)
三、高折射率双片透镜 (4)
3.1 初始结构 (5)
3.2 第一步优化 (6)
3.3 第二步优化 (7)
四、结束语 (10)
评语 (11)
一、设计任务
1)焦距f’=60mm;相对孔径D/f’=1/2;工作波长λ=0.6328um。
2)此镜头只需校正轴上物点球差。
3)几何弥散圆直径小于0.02mm。
4)镜头结构尽量简单,争取两片达到要求。
二、镜头片数及玻璃选择的考虑和初步分析
2.1 单片低折射率的情况
先看看用一块镜片作此物镜,像差状况如何。
镜片玻璃采用普通的K9,折射率为n=1.51466;光阑放在透镜的第一面,入瞳直径取为30mm,令透镜的第一面作变量,第二面半径用以保证物镜的相对孔径D/f’=1/2;透镜厚度取为6mm。
将0.3、0.5、0.7/、0.85和全孔径的横向球差TRAY加入评价函数中,它们的目标值都取零,权重都取1。
之所以评价函数中要求五个孔径的横向球差,是考虑到这个物镜的相对孔径比较大,而球差又要求很小,所以校正的思想一是各级球差都要尽可能小,二是各级球差间要达到合理的平衡。
至于物镜的像质能否达到要求,重要的是看它的结构是否有能达到设计要求的内因,将会看到单片结构就没有这方面的内因。
值得提出,这里所写的“TRAY”是ZEMAX程序中的定义,程序中称为横向像差操作数。
其含义在此处相当于统称的横向球差。
使用“TRAY”时其下要确定三个参数,一个是当前要计算的波长;第二个明确是哪个视场的;第三个明确是哪个孔径。
例如上述评价函数中分别指定为0.3、0.5、0.7、0.85和全孔径,一般情况下它的单位为微米。
优化后,它的结构参数、像差曲线和点列图分别如下所示。
图13 图14
从优化结果看,现在的弥散圆直径为毫米量级,说明像质离要求相差甚远。
2.2 单片高折射率的情况
更换玻璃,采用高折射率的玻璃ZF14,n=1.90914,仍以两个半径作为自变量,经优化后的结构参数、像差曲线和点列图如下图所示。
图15 图16
由单片低折射率和单片高折射率的结果看,采用高折射率玻璃的单片与采用低折射率玻璃的单片相比,像质好了许多,弥散圆直径由1.18mm下降为0.08mm,这是由于镜头的曲率半径大了很多的缘故。
然而像质仍然离要求很远,改进的方法是分裂透镜,用双片型式。
三、高折射率双片透镜
3.1 初始结构
这个初始结构的构成是以图4所列单片透镜为基础,中间划出一个半径为-60mm的球面将单片分成双片,并取两片的厚度分别为6mm和5mm,并令最后一面保证物镜的相对孔径。
初始结构的参数、像差曲线和点列图如下图所示。
图17 图16
3.2 第一步优化
令透镜的前三面半径作变量,第四面半径以保证物镜的相对孔径D/f’=1/2,令两块透镜间的空气间隔也作变量;扔将0.3、0.5、/0.7、0.85和全孔径的横向球差TRAY加入到评价函数中,它们的目标值都取零,权重都取1.
将单片透镜分裂成双片透镜,目的是减少每个面承担的孔径,以减少每个面产生的球差;这里将两块透镜间的空气间隔作为变量,就是想产生减小各级球差且让各级球差能达到合理平衡的内因。
经优化出的结构、像差曲线和点列图分别如下图所示。
图19 图20
3.3 第二步优化
第二步优化时,将物镜最后一面至像面的距离增加为变量。
可以预见,经第一步优化后,像质近乎达到了要求,所以进一步优化时,将像距作为变量实质上就是将离焦量作为变量了。
令透镜的前三面半径作变量,令两块透镜间的空气间隔和像距也作变量;仍将0.3、0.5、0.7、0.85和全孔径的横向球差TRAY加入到评价函数中,它们的目标值都取零,权重都取1。
优化出的结构、像差曲线和点列图分别如下图所示。
经第二步优化后的调制传递函数MTF如图16所示。
图21
图22
图23
由图21和图17的比较看出,第一步和第二步优化后,镜头产生了一些更高级的球差,使各级球差之间达到了更适合的平衡,致使残余球差很小,因而大大改善了像质。
点列图所描述的弥散圆半径从第二步优化前的0.008mm下降为优化后的0.0007mm,远小于预定的要求,从传递函数看几乎接近了理想情况。
设计任务至此告一段落。
由上可见,最后结果的像质是很好的。
当然,这里选用了ZF14,只是作为了解玻璃折射率影响像差状况的一种练习,在实际的工作中,材料的选用还要考虑性能价格比等因素。
四、结束语
本次课程设计通过七天的学习,老师给我们讲解了一些zemax设计的实例,让我们队zemax软件有了初步的了解,这次优化设计了一个HeNe激光束聚焦物镜,通过这次优化设计,我认识到了自己的深深不足,比如在专业英语方面的欠缺,很多程序上的功能还需要英汉翻译,同时也对光学质量评价的标准有了一定的了解,以及zemax对于自动优化镜头的功能有了了解。
评语:
傅爽在这次课程设计中积极思考zemax的使用方法,虽然在一开始并没有成功优化设计,但能及时纠正错误,充分利用课余时间查阅相关实例以及资料,遇到问题及时提问且自己钻研解决,最终成功设计优化了一款HeNe激光光束聚焦物镜,表现良好,值得鼓励!
成绩:
指导老师:。