武汉工程大学
课程设计(学年论文)
说明书
课题名称:激光扩束镜
专业班级: 11级光通信01班
学生学号: 1109050131
学生姓名:朱思韦
学生成绩:
指导教师:
课题工作时间: 2013年6月20日至 2013年6月25日
武汉工程大学教务处
一.引言:
激光扩束系统是构成诸如激光雷达、激光测距仪等仪器的重要组成部分。
其主要作用是通过改善激光束的空间发散角,提高光束的准直性,使激光束达到对孔径的要求。
扩束系统根据扩束比是否可调,可分为固定式和可调式。
变焦扩束系统与其它扩束系统相比具有扩束比可调的优点,故其在全息照相、激光测距以及光通讯等领域有着广泛的应用。
变焦扩束系统根据组元的多少可分为二组元系统、三组元系统和四组元系统等。
二.文献综述
通常我们以光束的发散参数作为完美的高斯激光束的特征。
发散是指光波在其空间传播过程中以一定角度展开。
甚至完美的没有任何异常的光线也会由于衍射效应经历某些光束的发散。
衍射是指光线在被不透明的物体,比如刀锋切断的时候产生的弯曲效应。
展开(spreading)产生于在切断的边缘发出的次级波面阵。
这些次级波和主波会发生干涉,同时相互也会产生干涉,在某些时候就会形成复杂的衍射图案。
衍射使得完美的校准光束成为不可能,或者不能够将光束聚焦到无限小的点。
幸运的是衍射的效果是能够被计算的。
因此存在着可以预知对于任何衍射极限的透镜光束被准直的程度和光斑大小的理论。
我们现在考虑一束这样由低功率TEM00气体激光器产生的光束,光腰为S0。
这样我们就能够假定它能够达到衍射极限同时能够不用考虑任何热透镜效应。
它将会显现出由于衍射引起的光腰的弯曲,或者说展开效应:
S(x)=S0[1+(λx/πS0²)²]½
在这里x是指离开光源的距离,λ是指激光波长,如果λx/πS0²»1,那么:S(x)≈λx/πS0²
利用这个近似值,我们可以写出光束由于衍射发散的角度:
θ= S(x)/x=λ/πS0
θ我们都知道指的是远场发散角。
改善发散角,光束的远场发散定义了一个给定光束直径最好的准直效果。
它也说明了光束的零发散角或者说最好的准直是不可能达到的,因为要做到这些需要有无穷大的光束直径。
但是这个等式也表明了改善发散的可能性。
考虑一个已经准直的光束,发散角为θ光腰为S
,我们可以看到如果光束直径能够增大,
远场发散角将会减小。
这就是扩大光束的优点所在。
另外,小的发散能够使高斯光束聚焦得更好
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 l
f
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,
2
1f M f τ=-
为放大镜的放大率。
设入射光束束腰为0
w ,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=-+-
'00
w M w τ=
远场发散角
θ与束腰
w 间有反比关系,即
02011
M τ
θθ=
,远场发散角被压缩
M τ
倍,
且与物距和像距均无关。
当1
s f =时,'2
s 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 折射式扩束组远镜系统
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。
而开普勒望远镜系统可以配合空间滤波片使用,使非对称光束分布变为对称分布,并可使激光能量分布得更加均匀,但是建造成本相比于伽利略望远镜也有所提升。
2.2 反射式扩束望远镜系统
反射式望远镜系统是指用凹面反射镜作物镜的望远镜系统,与折射式望远镜系统相比具有大口径、无色差、传输效率高等优点,已得到广泛的应用.在激光扩束器设计和制造中应用较广的有无焦格里格利系统和无焦卡塞格林系统
反射式望远镜系统在光学性能方面的最大缺点是存在较为严重的像差,因此在实际使用中必须应用非球面的不同组合,实现不同的消像差能力,激光扩束望远镜中最常用的是抛物面。
三、设计课题过程
1、通过查找资料,在镜头数据编辑页面输入的初始值如下:通过使用两片具有不同色
散特性的玻璃,一阶色差可以被矫正
选用入瞳直径为5mm
.以适应不同先在四个波长下工作,四个波长分别为:1.053、1.064、1.03、0.632m
工作波长。
初始结构图如下:
2.建立评价函数。
四.优化过程:
进行第一次优化,把胶合面的曲率半径作为变量,得到数据如下:
现得到一些性能图如下:
我们现在已经减小了色差的线性项,,二阶色差占了优势,因此如抛物线形状所示。
分析可得主要像差是球差。
消除球差:通过调整优化函数来消除初级球差,用LONA 控制轴向球差,当选择LONA 控制不住球差时, 同时加入SPHA 操作数, 设置合理权重, 可以将轴向球差进一步改
善。
并用函数CVGT来控制第七面的曲率半径,以保证结构的完整无变化,并有效消除球差
操作后得OPD图如下:可分析出球差已经得到比较好的校正。
为了矫正色球差,我们需要用轴上颜色来平衡它。
在同一种像差中,用低阶像差来平衡高阶像差。
这里,色球差是一阶轴上色差的高阶分量。
为了引入轴上色差,我们将改变第一面,即校正前面的曲率,现在设置第一面的半径为变量,再次优化(Tools,Optimization,Automatic)。
并多次修改优化函数的权重,多次优化,可得新的OPD图如下:
将视场角的个数设置为2,输入y-角0.0,0.3,重新创建评价函数。
在评价函数编辑时,并将RINGS改为4,单击OK。
再次更新OPD图,已是一个很好地平衡了像差的设计。
得到OPD图如下:
去除632.8nm波长,在工作波长下:得出OPD图形
改变光波长,使之工作在检验波长632.8nm
再次优化
得OPD图如下所示:4.优化各项结果如下:
结果分析:
(1)OPD Fan (光程差扇状图)分析:
OPD 是用来测量波前像差(wavefront aberration),波前是由一个点光源至所有相同光源点的位置。
一個有像差的的波前在他传播的时候会改变其形状,对一個小的像差而言,这是一個很小的效应。
但對一個很大的像差而言,此現象就很容意观测和机算到。
我們得到的光程差在优化后变得小了,所以像差也降低了。
(2)Ray Fan(光扇图)分析
Ray Fan 是表示光学系统参照入射瞳位置的像差综合值。
纵轴表像差大小,横轴表入射瞳的位置。
而在优化过后,我們可以发现已经下降,所以也是有明显的降低像差效果。
在Zemax中使用合适的优化函数和权重对像差进行校正,逐步消除了基本像差、高级像差并进行了像差平衡,提高光束的准直性,使激光束达到对孔径的要求,OPD 曲线也很理想,而且结构简单,聚焦性能好。
四. 设计总结
对于此次课程过程,我更加深入的了解了激光扩束镜。
现在激光扩束镜已广泛用于空间滤波,红宝石激光器的级间隔离,全息照相中的扩散,激光测距仪和激光雷达的发射系统,激光干涉仪的光源扩束,染料激光器的谐振腔等技术中。
其作用是改善激光束的发散角,使激光器的准直性加强。
对于设计一个激光扩束镜而言,因为激光束的发散角较小,所以只需校正轴上球差和慧差。
结构宜简单,以减少激光能量的损失。
且不宜使用胶合透镜,胶合透镜易受激光损害。
此设计无需校正色差,但要考虑使色球差小,以兼顾几种不同的波长使用。
这些都是通过这几天学习而得的一些设计感受。
通过这次课程设计,我个人的收获也颇多。
虽然我应用计算机的能力还可以,接受新东西的能力也还不错,但我在课程设计中,深深地感到自己学问上的欠缺,很多东西都不知道。
最后在不断查阅文献和在网上查找资料,终于完成了此次课程设计。
在这次课程设计中,梁老师对我的帮助很大,无论是在方案制定过程中,还是在优化过程中,都教会了我许多技巧。
当然我觉得同学之间的交流是非常重要,在几次与同学的讨论过程中,我们更加全面地兼顾到了各个方面,我觉得这就是团队的力量。
对于以后的课程设计依然要反复练习,不懂就问,在操作中认真仔细,培养严谨的工作作风。