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一种激光连续变倍准直扩束系统的设计黄耀林;王敏;寇远凤【摘要】介绍了国内外激光扩束系统的研究现状,阐述了低倍率扩束系统设计原理,选用没有内部焦点的倒置伽利略式望远镜系统结构设计了一个无焦变倍的激光扩束准直系统.在Zemax软件中实现变倍扩束系统初始结构的设计,基于Zemax的REAY优化函数对光学系统中透镜的曲率半径和间距进行优化,实现5～25倍的连续变倍激光扩束.不同倍率下的波像差最大均方根值均小于λ/40,设计结果满足像质要求.经工艺分析,该设计符合加工的工艺要求,系统结构简单,具有实际应用价值.【期刊名称】《光学仪器》【年(卷),期】2018(040)002【总页数】6页(P38-43)【关键词】无焦变倍;激光扩束;Zemax;优化设计;波像差【作者】黄耀林;王敏;寇远凤【作者单位】福建师范大学光电与信息工程学院医学光电科学与技术教育部重点实验室,福建福州350007;福建师范大学光电与信息工程学院医学光电科学与技术教育部重点实验室,福建福州350007;福建师范大学光电与信息工程学院医学光电科学与技术教育部重点实验室,福建福州350007【正文语种】中文【中图分类】TN249引言由于激光具有高亮度、单色性好和方向性好等特点[1],激光扩束准直系统在通信技术、激光扫描、切割、测量距离等领域被广泛应用。
在实际应用或实验过程中,通常需要用到口径不一的准直激光光束,尤其是在实验操作过程中,每更换一个实验元件都需要重新调节整个光路,不利于实验操作,因此设计一个连续变倍的激光扩束系统是非常有必要的。
目前激光扩束方法使用较为广泛的有两大类[2-4]。
第一类是选用反射系统,此类系统选用大口径的反射镜面来扩大激光光束,常见的系统有格里高利系统和卡塞格林系统。
由于此类系统通常采用非球面镜片,并且是固定的扩束比,通常是单独设计某一类口径的光束,而且非球面在实际生产中存在较高的成本以及难度。
所以此类系统适合大倍率扩束的应用。
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”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020*******,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。
图1.1 Φ300 HTM激光扩束器
毕业设计开题报告
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
(b) 离轴的格里高利扩束系统图3.3 离轴反射式扩束系统
毕业设计开题报告。
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。
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。
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。
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。
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，因为它简单、体积小、价格也低。
尽可能的该扩束镜设计成小的球面相差、低的波前变形和消色差。
它的局限性在于不能容纳空间滤波或者进行大倍率的扩束。
如图所示，输入镜将入射的激光束聚焦在前焦平面上（虚焦点），新的束腰'0ω和发散角'θ为πωλω10'f =和'2'0πωλθ=。
式中)(l ω为入射激光束在入射镜上光束半径，l 是入射激光束腰与入射镜的距离f1是输入镜的焦距。
因为'0ω落在输出镜的后焦平面上，并且输出镜的焦距f2大于输入镜的焦距，高斯光束将被扩束镜准直。
准直倍率如下：式中211f f T =，θ和0ω是入射光束的发散角和束腰。
经过扩束镜后，束腰"0ω 和发散角"θ为 100'"f πωλω=和T θθ="。
可得：)(10"l T ωω=。
通过采用倒置的望远镜系统不但实现了对高斯光束发散角的压缩,还增大了其腰斑的尺寸,实现了对高斯光束的扩束。
1.3折射型扩束器基本结构1.3.1开普勒扩束镜在需要空间滤波或者进行大倍率的扩束的时候，人们一般使用开普勒设计的望远镜。
开普勒望远镜一般有一个凸透镜作为输入镜片，把实焦距聚焦的光束发送到输出元件上。
另外，可以通过在第一个透镜的焦点上放置小孔来实现空间滤波。
1.3.2伽利略扩束镜最通用的扩束镜类型起源于伽利略望远镜，通常包括一个输入的凹透镜和一个输出的凸透镜。
输入镜将一个虚焦距光束传送给输出镜。
一般的低倍数的扩束镜都用该原理制造，因为它简单、体积小、价格也低。
一般的尽可能的被设计为小的球面相差，低的波前变形和消色差。
它的局限性在于不能容纳空间滤波或者进行大倍率的扩束。
第二章光学设计软件ZEMAX概述2.1 ZEMAX的简单介绍ZEMAX Optical Design Program是美国焦点软件公司ZEMAX Development Corporation开发出来的ZEMAX光学设计软件，ZEMAX是Windows平台上的视窗式的用户界面，操作习惯和快捷键风格如同Windows。
是目前光学设计软件中应用最为广泛的一种。
它不但可以模拟并建立各种光学系统模型，还可以对光学系统的成像质量进行分析，提供了适用于不同系统的评价函数，如各种几何相差，光学传递函数（MTF），点列图，波前函数图等，对于一个光学系统可以选择多个评价函数来进行成像质量的分析。
此外，ZEMAX软件强大的优化功能能够为设计者的优化设计带来很大程度的方便，而软件持有的公差分析功能又能为设计者在实际加工和装调前给出可靠的光学特性误差，为实际加工提供了可靠性的保证。
2.2 用户界面介绍ZEMAX的视窗类型，和Windows的基本一致，打开不同的视窗可以执行操作不同的任务，可分为：2.2.1 主视窗（Main Window）ZEMAX启动以后，进入主视窗（图1.1）。
主视窗顶端有标题栏（title bar）、菜单栏（menu bar）和工具栏（tools bar）。
2.2.2 编辑视窗（Editor Window）图1.1 ZEMAX主视窗界面ZEMAX中有6种不同的编辑器（Editors）：即镜头数据编辑器（Lens Data Editor），评价函数编辑器（Merit Function Editor）、多重组态编辑器（Multi-configuration Editor）、公差数据编辑器（Tolerance Data Editor）、用于补充光学面的附加数据编辑器（Extra Data Editor）、以及非序列元件编辑器（Non-sequential Components Editor）。
2.2.3 图形视窗（Graphic Window）最常用的有草图（Layout）、扇形图（Ray fans）、调制传递函数（MTF Plots）图等。
2.2.4文本视窗（Text Windows）设计的文字资料，如详细数据（Prescription Data）、像差数据等显示在文本视窗中。
2.2.5对话框（Dialogs）固定大小，在过程中跳出来的视窗（鼠标拖曳不能改变大小）。
用于定义或更新视场（Fields）、波长（Wavelengths）、孔径（Apertures）、面型（Surface types）等。
2.3 主视窗的操作（Main Windows Operations）主视窗在执行ZEMAX后显示出来，可以用鼠标拖动改变大小，如图1.1所示。
上部有标题栏、菜单栏、快捷按钮。
底部状态栏中显示当前镜头系统的焦距（EFFL）、F数（WFNO）、入瞳直径（ENPD）、系统总长（TOTR）。
主视窗中的快捷按钮和状态栏中内容可以自定义，菜单栏中有：2.3.1 文件（File）展开后有文件的打开（Open），新建（New），存储（Save），另存为（Save as）等，偏好（Preference）可以修改文字大小，快捷按钮和状态栏中的内容。
2.3.2 编辑器（Editors）栏中包括ZEMAX中所有编辑器命令，展开后可打开Lens data editor，Merit function editor。
2.3.3系统（System）定义或更新光学系统的光学特性数据，例如相对孔径、视场和选取的工作波长等。
2.3.4 分析（Analysis）它是ZEMAX中的非常重要的菜单之一，是用来进行像质评价和分析的主要工具，对于其中的每一项的数据的含义，单位要很好地理解。
主要有：Fans中的球差（Ray aberration），点列图（Spot diagrams）、调制传递函数（MTF）、点扩散函数（PSF）、波像差（Wavefront）、圆内能量集中度（Encircled Energy）；杂项（Miscellaneous）等。
2.3.5 工具（Tools）也是ZEMAX中的非常重要的菜单之一，分成七块：第一块用来进行光学镜头的局部优化（Optimization）、全局优化（Global / Search /Hammer Optimization）等；第二块分析镜头的公差，计算传递函数的点列图，波差等变化量表。
第三块是材料选择，有察勘玻璃库或向库中新增添或删除玻璃条目，寻找简单的透镜数据并插入到透镜数据编辑器中。
第四块是镀膜模型。
第五块是系统中镜头的孔径的定义，可以与渐晕系数配合共同使用。
第六块主要用来整体设计(1)按焦距或放大率缩放当前系统；(2)在当前系统中加入或删除折转发射镜。
第七块以后讨论。
2.3.6 报告（Report）形成镜头设计结果的报告，可以作为每一个光学面的形成报告（Surface data）；也能为镜头系统形成高斯参数或光学特性参数的报告（System data）；还可以给出设计结果的详细数据报告（Prescription data）。
2.3.7 宏编程（Macros）执行已经编译好的宏程序。
宏程序的编程过程：（1）使用一般的文本编辑器或使用ZEMAX自身的编辑功能创建扩展名为“*.ZPL”文件，该文件置于ZEMAX 目录下的Macros目录中；（2）使用ZEMAX提供的命名或函数库进行程序编写；（3）用Macros菜单下的“Run/Edit Zpl Macros…”执行宏程序。
宏程序可以提取光线追迹数据、像质评价等，可以定义新的优化设计用的操作符。
执行时，宏程序作用的对象是当前显示的镜头系统。
2.3.8 外部程序接口（Extensions）ZEMAX环境中，使用该接口可以执行外部扩展名为“*.EXE”的执行程序，用来与ZEMAX交换数据，或ZPL宏不能完成的功能。
外部程序可以用C语言等编程工具完成。
2.3.9视窗（Windows）与帮助（Help）菜单2.4 ZEMAX的像质评价部分2.4.1 Fans光学中的“Fans”，即光扇图，与光学设计中的子午面和弧矢面的光线结构相对应。
由任一物点发出的不同孔径高的光线组分别在子午面内和弧矢面内，形成子午扇形光线和弧矢扇形光线组，由这些扇形光线组描述跟像差有关的像质指标，可以统称为“Fans”。
因此，Fans描述的是子午与弧矢两个截面内的像差曲线图。
共有“Ray Aberration，Optical Path和Pupil Aberration”三种：2.4.2 Ray Aberration由像质评价技术，独立的几何像差是按几何光线的空间结构来定义。
轴上有球差、高级球差两种单色像差；有轴向色差（一般取0.707孔径）、色球差、二级光谱三种色差；轴外有子午像差、弧矢像差与主光线像差。
子午面与弧矢面单色像差有：场曲、慧差、像散，主光线像差有畸变、垂轴色差。
