第13课带有衍射光学元件的激光扩束器
高中物理 第十三章 5 光的衍射教材梳理教案 新人教版选修3-4(2021年最新整理)
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光的衍射疱丁巧解牛知识·巧学一、光的衍射1。
衍射现象波能够绕过障碍物而到达“阴影”区域的现象.2。
产生明显衍射现象的条件障碍物或孔的尺寸比波长小或跟波长差不多。
深化升华一切波在遇到障碍物或孔时,都可以发生衍射,要注意区分发生衍射和产生明显衍射现象的区分。
3.三种不同的衍射现象（1）单缝衍射①单缝衍射：如图13-5-1所示，点光源S发出的光经过单缝后照射到光屏上，若缝较宽，则光沿直线传播，传播到光屏上的AB区域;若缝足够窄，则光的传播不再沿直线传播,而是传到几何阴影区，在AA′、BB′区还出现亮暗相间的条纹，即发生衍射现象。
图13-5—1要点提示衍射是波特有的一种现象，只是有的明显,有的不明显而已,“闻其声不见其人"就是声波衍射的原因。
②特点：a.缝变窄时，光有了明显的衍射现象,光所照射的区域变大，由于通过缝的光能少了，因此条纹的亮度会降低.b。
在衍射现象中，中央亮条纹与邻边的亮条纹相比有明显的不同,中央亮条纹不仅亮度大,宽度也大。
要点提示用单色光照射单缝时，光屏上出现亮、暗相间的衍射条纹，中央条纹宽度大，亮度也大，与干涉条纹有区别。
深化升华用白光照射单缝时,中间是白色亮条纹，两边是彩色条纹，其中最靠近中央的色光是紫光，最远离中央的是红光。
扩束器原理
扩束器原理
扩束器原理是一个光学设备，它可以将光斑的尺寸和强度改变，以便改善检测或成像系统的性能。
扩束器也称作光斑调整器，可以在激光系统或其他光学系统中扮演重要角色。
扩束器是通过使用某种光学元件，如折射镜，透镜，反射镜，棱镜或定向反射器，来实现其功能的。
它可以改变光斑尺寸（诸如宽度，长度和直径），以及它的强度（最大亮度）。
扩束器通常用于改善光学检测或成像系统的性能，如改善聚焦，增强背景分辨率，缩小图像点的尺寸，以及改善实际测量幅度的精度。
它们还可以用于增加光学系统的存储容量，例如一次将更多的信息如图像存储到一个驱动器中，或者在传输光信号时增加数据传输速率。
在光学系统设计中，扩束器有可能不只使用一个，而是多个相互连接。
它们的连接顺序依赖于光学系统的工作原理和功能。
例如，可以将透镜和棱镜结合在一起，以增加光轴的角度，从而在整个系统中改变光斑的尺寸和形状。
其他一些选择包括将多个棱镜组合成一个光学元件，以改变光斑的尺寸或形状，或将透镜和折射镜混合使用，以改变光斑的尺寸和强度。
扩束器的工作原理取决于它的类型和特性。
例如，通过将透镜，折射镜或棱镜组合在一起，它们可以改变光斑的尺寸和强度，从而改善检测或成像系统的性能。
它们也可以用来调整光路中的光斑尺寸和强度，以调整激光输出，改善测量精度，或在传输光信号时增加数据传输速率。
衍射光学元件在激光雷达光学系统中的应用
衍射光学元件在激光雷达光学系统中的应用
衍射光学元件在激光雷达光学系统中具有重要的应用，主要包括以下几个方面：
1.激光束扩束
在激光雷达系统中，为了增加测距范围和提高激光能量密度，需要将激光束从较小的光斑面积扩展成较大的光斑面积。
这时，可以采用柿子透镜、球面透镜等衍射光学元件对激光进行扩束。
2.光束分束
在激光雷达系统中，为了实现多目标探测，需要将激光束分成多个光束，可以采用衍射光学元件，如光栅、衍射棱镜等对激光进行分束。
3.光束衍射
在激光雷达系统中，为了实现高分辨率探测，需要将激光束衍射成一定的光斑形状。
可以采用衍射光学元件，如宽缝衍射器、光栅等对激光进行衍射。
4.相位调制
在激光雷达系统中，为了实现高精度测量，需要对激光进行相位调制，可以采用衍射光学元件，如相移光栅等对激光进行相位调制。
总之，衍射光学元件在激光雷达光学系统中具有重要的应用，可以对激光进行扩束、分束、衍射、相位调制等，可以提高激光雷达的探测精度和测量范围。
最新人教版高中物理选修课件 13-5光的衍射
光嘚衍射 光离开直线传播路径绕到障碍物阴影里去嘚现象。衍射时产生嘚明暗条纹叫衍射图样。
光嘚明显衍射条件：
障碍物或孔嘚尺寸小于 波长或者和波长差不多。
单缝衍射条纹
单缝不变，波长越大，衍射越明显， 中央亮纹越宽
波长一定时，单缝越窄， 现象越明显，中央亮纹越宽越暗
【B】
2.某同学以线状白炽灯为光源，利用游标卡尺两脚间形成嘚狭缝观察光嘚衍射现象后，总结出以下几点： A.若狭缝与灯丝平行，衍射条纹与狭缝平行 B.若狭缝与灯丝垂直，衍射条纹与狭缝垂直 C.衍射条纹嘚疏密程度与狭缝宽度有关 D.衍射条纹嘚间距与光嘚波长有关
【ACD】
练习3：观察实验回答下列问题
1.在观察光嘚衍射现象嘚实验中,通过紧靠眼睛嘚卡尺测脚形成嘚狭缝,观看远处嘚日光灯管或线状白炽灯丝(灯管或 灯丝都要平行于狭缝),可以看到 A.黑白相间嘚直条纹 B.黑白相间嘚弧形条纹 C.彩色嘚直条纹 D.彩色嘚弧形条纹.
为什么平时隔墙可以听见别人嘚声音却看不到人？ • 声音嘚波长比光嘚波长大嘚多，更容易发生明显衍射，即更容易绕过障碍物向前传播。
• 例1：用单色光分别通过小圆盘和小圆孔做衍射实验时，它们嘚特点如何？
圆孔衍射 S
圆孔衍射
光直线传播形成嘚影（圆屏）
圆屏衍射 S
泊松亮斑
在其影子嘚中心有 一个亮斑
•
答案：D
比较:双缝干涉与单缝衍射图样衍Βιβλιοθήκη 现象和干涉现象条纹嘚不同点和相同点：
• 相同点：由于光嘚叠加而产生嘚，明暗相间嘚。
• 不同点：双缝嘚条纹是等间距嘚各条纹嘚亮度差别较小，条纹条数较多。
•
衍射条纹不等间距，中央条纹亮而宽，两侧条纹较暗较窄，对称分布
激光扩束镜结构
激光扩束镜结构激光扩束镜是一种常见的光学元件，用于调整激光束的直径和扩束角度。
它由两个主要部分组成：透镜和反射镜。
透镜用于调整激光束的直径，而反射镜用于调整激光束的扩束角度。
激光扩束镜的透镜通常是凸透镜，它具有向外凸起的形状。
当激光束通过透镜时，透镜会将光线聚焦到一个点上，这可以减小激光束的直径。
透镜的曲率半径和直径决定了光线的聚焦程度。
较小的曲率半径和较大的直径将导致更大的扩束角度，而较大的曲率半径和较小的直径将导致更小的扩束角度。
激光扩束镜的反射镜通常是平面镜或曲面镜。
平面镜可以改变激光束的方向，而曲面镜可以改变激光束的扩束角度。
曲面镜通常是凸面镜或凹面镜。
凸面镜会使激光束扩束，而凹面镜会使激光束聚束。
反射镜的选择取决于需要调整的激光束特性。
激光扩束镜的结构可以是单透镜结构或双透镜结构。
单透镜结构包括一个透镜和一个反射镜，它们组合在一起以实现激光束的扩束。
双透镜结构包括两个透镜和一个反射镜，透镜和反射镜交替排列以实现更精确的扩束控制。
激光扩束镜的设计需要考虑许多因素，包括所需的扩束角度、激光束直径和波长等。
此外，材料的选择也很重要，因为不同的材料对激光束的传输和扩束特性有不同的影响。
激光扩束镜在许多应用中发挥着重要的作用。
例如，它们可以用于激光切割、激光打标和激光焊接等工艺中，以调整激光束的特性，使其适应特定的加工需求。
此外，激光扩束镜还可以用于激光通信和激光雷达等领域，以实现远距离的光信号传输和探测。
激光扩束镜是一种重要的光学元件，用于调整激光束的直径和扩束角度。
它由透镜和反射镜组成，可以采用单透镜结构或双透镜结构。
激光扩束镜的设计需要考虑多个因素，并在各种应用领域中发挥着关键作用。
衍射光学元件示意图,衍射元件应用原理图
衍射光学元件示意图经过多年发展，海纳光学已经成为国内极具权威的衍射光学元件供应商。
衍射光学元件主要分为光束整形器、分束器、多焦点DOE、长焦深DOE、衍射锥镜、螺旋相位片、匀化片和其它图案的衍射元件DOE。
这里我们挑选较常用的整形镜、分束器、多焦点DOE，专门给出了这些衍射光学元件的示意图，衍射元件应用原理图，让用户能够对衍射元件的使用、安装位置和衍射过程一目了然。
一、光束整形器，整形镜，Beam Shaper, Top hat beam shaper平顶光束整形器的作用是把高斯光束转换为平顶光束，即高斯整平顶。
平顶光斑具有效率高、光斑小、能量均匀性好等特点，顶部能量绝对均匀，边缘陡峭，无高级次衍射，也称为平顶帽式光斑。
光束整形器又称为整形镜，高斯整平顶DOE，平顶光整形器，平顶帽式整形镜，平顶光DOE，是最具代表性的衍射光学元件之一。
下面图片可以清晰地看到整形镜获得平顶光斑的过程，整形镜得到的平顶光斑的尺寸为衍射极限的1.5倍~几百倍，要求入射的高斯光束为TEM00的单模光。
一般整形镜的衍射效率>93%，均匀性>95% (多台阶整形镜)，对安装精度要求较高。
整形镜不仅可以把入射光整形成圆形、正方形，还可以整形成直线、长方形、六边形等其它用户需要的形状。
下图是把高斯光整形成直线光斑的示意图，这里我们用到一个模组而不是单独的镜片，这个模组成为Leanline，其克服了整形镜的工作距离限制，能够在一定工作距离范围内保持光束整形的效果。
二、匀化器、匀化镜、均匀光斑DOE、扩散片，Homogenizer, Diffuser激光匀化器的作用是把入射激光转换成能量均匀分布的光斑，这里的光斑尺寸一般较大，形状可以为圆形、正方形、线性、六边形和其它任意用户想要定制的形状。
入射激光可以为单模或多模，衍射效率70%~90%不等。
下图清晰地给出了匀化器的匀化过程，一般的结构是激光通过匀化器和聚焦系统后即可匀化，但这里还配合了一个激光扩束缩束镜，通过调节这个扩束缩束镜就可以直接调节输出光斑的大小。
最新人教版高中物理选修3-4第十三章《激光》拓展延伸
拓展延伸
疑难突破
激光的产生机理
一般光源发光时，各个原子发出的光子是四面八方辐射的，它们的频率和振动方向互不相同，而且每个原子每次发光持续的时间很短，下一次发光又会发出频率和振动方向与前一次不同的光子.这样的光子是非相干光，叠加时不会产生稳定的干涉，在任一方向都得不到加强的光，显示出各个方向的光波强度相同，这种光就是自然光.
当原子获得能量处于不稳定的状态时，如果恰好有某一能量的光子从附近通过，在入射光子的电磁场的影响下，原子会辐射出一个频率、发射方向和振动方向等与入射光子完全相同的光子.如果这两个光子在媒质中传播时再引起其他原子发出越来越多的相同的光子，使光得到加强，就形成激光.
思考发现
1.激光的特点是频率单一、相干性好，用来像无线电波那样进行调制传递信息；平行度高、方向性好，用来测量超远距离、刻制光盘；亮度高、强度大，用来充当手术刀切除肿瘤.
2.激光和普通光一样都是由于原子受激发产生的，但自然光源不能产生激光，只能通过人工的方法获得激光.
3.激光具有相干性好、平行度好和能量高的特点，但激光仍是光，具有光的一切特性.我的发现：。
高精度连续变倍率激光扩束系统设计
２．１ ＬＣＳＬＭ 实现数字透镜功能的原理 由于 ＬＣＳＬＭ 具有可编程性，故通过给其加
载不同灰度信息的相位调制图可以控制加在其上 的电压，通过改变外加电压可以改变液晶分子的 指向，从而使液晶分子折射率发生变化，当入射光 经过折射率不同的液晶分子后，就会产生光程差 Δφ，从而实现对入射光波的相位调制［１０１２］。利用
求。为解决上述问题，考虑到液晶空间光调制器 （ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＳｐａｔｉａｌＬｉｇｈｔＭｏｄｕｌａｔｏｒ，ＬＣＳＬＭ） 具有可编程，体积小，功耗低，无须机械转动，响应 速度快，测量精度高等优点［７９］，本文提出采用主 动的光学变焦系统，将 ＬＣＳＬＭ 作为主动光学元 件加入到光学变焦系统中。本文设计的基于 ＬＣ ＳＬＭ的变焦系统可以实现对激光束 ２× ～５×倍的 连续变倍率准直扩束，且该系统具有响应速度快、 操作方便，结构简单、精度高、维护成本较低等优 点。然而，由于液晶只能对线偏振光进行校正，因 此需要利用偏振片产生偏振光，这会导致能量的 损失，另外，液晶还存在无法承受大功率激光照射 的不足。因此，该系统不适合大功率以及对功耗 敏感的场合。
ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００００，Ｃｈｉｎａ； ２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｐａｃｅＯｐｔｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＣｈａｎｇｃｈｕｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００００，Ｃｈｉｎａ； ３．ＣｈａｎｇｃｈｕｎＧｕａｎｇＫｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００００，Ｃｈｉｎａ）
第 １２卷 第 ３期
中国光学
Ｖｏｌ．１２ Ｎｏ．３
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第13课.带有衍射光学元件的激光扩束器在第11课中，您了解了如何使用普通球面透镜设计激光扩束器，并了解到需要多个透镜元件才能获得良好的性能。
第12课采用相同的设计，使用两个非球面元件，效果极佳。
本课程将证明您可以使用DOE（衍射光学元件）。
to within10%.目标是将腰半径为0.35mm的HeNe激光器转换成直径为10mm且均匀至10％以内的光束这是我们初始的输入文件：RLE!Beginning of lens input file.。
ID KINOFORM BEAM SHAPERWA1.6328!Single wavelengthUNI MM!Lens is in millimetersOBG.351!Gaussian object;waist radius-.35mm;define full aperture=1/e**2point. 1TH22!Surface2is22mm from the waist.2RD-2TH2GTB S!Guess some reasonable lens parameters;use glass type SF6from Schott catalog SF63TH20!Surface3is a kinoform on side2of the first element3USS16!Defined as Unusual Surface Shape16(simple DOE)CWAV.6328!Zones are defined as one wave phase change at this wavelengtHIN1.798855!Assume the zones are machined into the lens.You can also apply!afilm of a different index.RNORM14TH2GTB S SF64USS16 CWAV.6328 HIN1.798855 RNORM1!The first side of the second element is also a DOE5CV0TH50!Start with a flat surface7!Surfaces6and7existAFOCAL!because they are required for AFOCAL output.END!End of lens input file.我们给第2个表面指定了一个合理RD值。
这是现阶段还没有DOE的非球面系数的系统：光束被扩展但没有准直，并且强度分布仍然是高斯输入光束的强度分布。
任务是找到能够实现我们两个目标的DOE OPD目标。
首先，让我们将第二个透镜的两边保持为平面。
这是优化MACro：PANT!Start of variable parameter definitions.RDR.001!This is a very small beam,so use smaller derivative increments to start with VY2RADVLIST TH3!Vary the airspaceVY3G26!Vary term Y**2,VY3G27!Y**4,VY3G28!and Y**6VY4G26!Do the same at surface4VY4G27VY4G28ENDAANT!Start of merit function definitionAECACCLUL15011A TOTL!Prevent the system from growing too largeM51A P YA00105!Ask for a beam radius of5mm on surface5M01A P FLUX00106!Ask for a flux falloff of zero at several zonesM01A P FLUX00.9806M01A P FLUX00.9706M01A P FLUX00.9606M01A P FLUX00.9506M01A P FLUX00.9406M01A P FLUX00.9306M01A P FLUX00.9206M01A P FLUX00.9106M01A P FLUX00.8506M01A P FLUX00.806M01A P FLUX00.706M01A P FLUX00.506M01A P FLUX00.306GSO0.110P!Control the output ray OPD over an SFAN of10rays,GSR010010P!and some transverse aberrations too.END!End of merit function definition.SNAPSYNO40这个PANT文件改变了一些通用的G变量，我们在上一课中使用它来改变镜头元件上的一些非球面系数项。
但在这种情况下，表面已经被定义为USS类型16，这是一个简单的DOE表面，因此这些选项改变了定义该形状的系数。
（键入HELP USS以了解您可用的形状以及G系数如何应用于它们。
）我们运行这个宏，镜头看起来很有希望。
所以我们再次运行它然后模拟退火几个周期。
结果变得更好了。
我们尝试改变一些高阶系数。
我们在两个DOE上添加新系数，最高为G31，即Y**12系数。
重新优化后，镜头看起来大致相同，但评价函数下降到3.13E-7。
看起来结果收敛了！How does the flux vary over the aperture now?We type the command光通量如何随孔径变化？我们输入命令FLUX100P6并得到一条美丽的曲线，几乎是直的，显示在左下方。
这确实是一个很好的设计。
现在的问题是，可以被加工吗？表面4的空间频率是多少？如果它太高，制造技术可能会遇到麻烦。
我们打开MMA对话框以选择MAP命令的输入。
我们选择一个HSFREQ over PUPIL的图，对象为POINT0，而raygrid CREC的网格为7，DIGITAL输出和PLOT。
结果显示在镜片边缘右侧，下方的频率为99.43c/ mm。
10微米/周期，这是可以制作的，但不容易被加工。
我们可以减少到50c/mm吗？我们将变量5RAD添加到变量列表中，并为AANT文件添加新的像差：M50.01A P HSFREQ00104程序现在控制表面4上的频率。
我们重新优化，现在表面5略微凸起，4上的空间频率正好在50c/mm。
光通量均匀性与以前一样好。
任务完成！我们做得怎么样？在光束重构之前，运行DPROP命令，检查曲面3处的轮廓。
这显示了该点处光束的高斯分布。
DPROP P003SURF3L RESAMPLE现在在表面上6做同样的事情。
DPROP P006SURF3L RESAMPLE下面是生成的系统的RLE文件，如果评估它，可以将其复制并粘贴到编辑器中：RLEID KINOFORM BEAM SHAPERFNAME'L13L1.RLE'MERIT0.270980E-05WA1.6328000WT11.00000APS1AFOCALUNITS MMOBG0.35000000 1.00000000AIR1CV0.0000000000000TH22.00000000AIR2RAD-0.8227781050995TH 2.000000002N11.798817102CTE0.810000E-052GTB S'SF6'3CV0.0000000000000TH74.00214849AIR3USS16CWAV0.632800HIN 1.79880055.000000RNORM 1.000003XDD10.0000000E+000.0000000E+000.0000000E+000.0000000E+000.0000000E+00 3XDD20.0000000E+000.0000000E+000.0000000E+000.0000000E+000.0000000E+00 3XDD3 2.6875641E+02 5.7065730E+01-4.1566734E+01 2.8677115E+01-1.6241740E+01 3XDD4 4.7211923E+000.0000000E+000.0000000E+000.0000000E+004CV0.0000000000000TH 2.000000004N11.798817104CTE0.810000E-054GTB S'SF6'4USS16CWAV0.632800HIN 1.79880055.000000RNORM 1.000004XDD10.0000000E+000.0000000E+000.0000000E+000.0000000E+000.0000000E+00 4XDD20.0000000E+000.0000000E+000.0000000E+000.0000000E+000.0000000E+00 4XDD3 5.6803879E+00-9.1936550E-03 6.0997390E-04-5.7203063E-05 2.2090382E-06 4XDD4-3.5824860E-080.0000000E+000.0000000E+000.0000000E+005RAD-159.6274584523634TH50.00000000AIR6CV0.0000000000000TH0.00000000AIR7CV0.0000000000000TH0.00000000AIR END。