激光扩束系统设计说明书.docx

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： 100212338 姓名： 魏松岩2014.01.08目录第一章绪论 11.1引言 11.2激光束及其准直扩束的原理 11.2.1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 41.3.1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 93.1准直扩束系统的参数确定 93.2确定激光扩束系统的初始结构 93.3 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输出镜ft '.'Xf2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W 0 f入'-2九 0和发散角9 '为叫'=f 和9 -0 兀①0式中o (1)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fl是输入镜的焦距。

因为o 0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：0ffn式中Ti/if ,9和w 0是入射光束的发散角和束腰经过扩束镜后，束腰w 0和发散角9"为w o 兀w'f i 和9 t° 可得：wo iw(l)°0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tb）伽利略扩束器第二章 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)o主视窗顶端有标题栏(titlebar)、 菜单栏(me nu 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 DataEditor )，评价函数编辑器(Merit Fun ctio n 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(No n-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(T0TR)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 editorc c c 系统(System)2. 3. 3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 视窗（Windows）与帮助（Help）莱单• O •/2.4 ZEMAX的像质评价部分2.4.1 Fans光学中的“ Fa ns”，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“ Fa ns”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 Aberratio n. Optical Path 和 Pupil Aberratio n” 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、垂轴色差在考虑视场和孔 径的高级像差时，种类更加繁多，有沿轴(或轴向)像差，每一种像差反映了几 何光线在成像时的空间位置分布，如果镜头系统理想成像，所有的像差必须为零， 数据量大，不利于总体掌握成像情况。

2.4.3 Stop DiagramsRay aberration仅能反映子午、弧矢面内光线造成像的弥散情况，几何点列 图则能反映任一物点发出的充满入瞳的光锥，在像面上的交点弥散情况几何点列图通常以主光线与像面交点为原点，进行量化计算点列图的弥散情 况，ZEMAX在此基础上，还给出以虚拟的“质心”、“平均”为原点的量化点列 图点列图(Spot Diagrams)的表现形式有五种：。