扩束系统设计
扩束整形系统设计
发明名称：基于组合透镜组的光线扩束与整形系统设计摘要本发明涉及一种用于光束整形的光学系统，所述的光学系统包含抛物面镜，凸面镜，凹面镜，柱面镜，且系统具有光轴。
利用抛物面良好的无相差特性，将光源置于抛物面的焦点上，将产生平行的入射光线，因为球面镜本身不可避免的存在球差，凸面镜产生负的球差，凹面镜产生正的球差，采用凸凹面镜胶合的方法可以消除在某个方向上消除球差，使得光束的聚焦效果更好；柱面镜仅在一个方向具有汇聚作用，类似于，用于对光束在一个方向进行压缩或扩展，采用一组正交的柱面透镜，用于实现光束不同方向的挤压。
由于柱面镜不具有空间的的轴对称特性，将柱面镜旋转 角度，得到光斑也将旋转一定的角度，从而满足不同方向的光斑需求。
基于各种透镜的基本作用，本文得到正方形，横矩形，竖矩形，圆形，动态倾斜，以满足不同的生产需求。
权利要求书1.一种用于光束扩束整形的光学系统，所述光学系统包含光源，透镜组，接收器，系统整体具有光轴，其特征在于，所述的透镜组包含：阵列反射形抛物面，其阵列几何中心关于光轴对称，用以将点光源变为平行光束，模拟激光的准直特性。
球面凸镜和凹镜组成的胶合透镜组合，凸面镜有负的球差，凹面镜会有正的球差，利用凹面镜可以进行补偿，抵消球差，使得光束的聚焦效果更好。
柱透镜采用一组正交的空间位置组合，通过日常生活，很容易看出，柱透镜在沿母线方向没有放大率，在垂直于母线的方向，由于厚度的变化，对光线有汇聚作用，用于对光束尺寸进行以维压缩或者放大。
2.根据权利要求1所述的阵列抛物面，其特征在于，基于数学模型的创建，得到过焦点的点光源平行出射这一重要结论，用于将点光源转化为一束平行光线，且根据阵列的形状，第一次将光源从一个点调节为阵列形状。
3.根据权利要求1所述的球面凹凸镜组成的胶合子镜组，其特征在于，可以在消除轴向球差的优势下将平行光束汇聚到一点，因为球面镜的轴对称特性，可以实现以及光斑的尺寸缩放（长宽缩放比例相同），只需要将接收器置于不同的位置，根据相似原理，尺寸动态变化，用于聚焦。
一种激光连续变倍准直扩束系统的设计
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。
折射式望远镜(扩束)系统设计流程
扩束（折射式望远镜）设计流程设计要求：平行光进，平行光出入射光孔径100, 出射20mm只能使用两个镜片，且第二个镜片为平凹镜（伽利略式）两镜片间空气隔约250mm系统用于1053nm激光系统；要使用632.8nm波长对系统进行预测试像差要最小化，仅能使用一个非球面学习要点：如何对特定设计要求优化参数如何设计一个双工系统，即工作波长和测试波长不同的系统如何在Zemax软件里定义薄透镜（仅用于聚焦），如何定义多结构界面问题分析：其实就是设计一个望远镜系统，如果没有特殊要求，这样的系统是很容易设计的。
然而现在有一些附加要求，特别是工作波长和测试波长不一样。
我们应该如何开展这样的设计呢？对一个实用系统，测试只是一个确信性能的手段，而最终系统应该在工作波长被使用。
因此，这个例子里，我们先以1.053μm为基准进行设计。
之后再考虑如何在0.6328μm下做测试。
注意，现在的系统是平行光入，平行光出。
由于没有成像功能，因此在Zemax里，无法评价由于该系统引入带来的像差是多大。
如何解决这个问题呢？我们可以在Zemax里插入一个薄透镜，即几何光学里常使用的那种透镜，只具有对平行光聚焦的作用，本身不产生任何附加像差。
这样平行光经过该近轴薄透镜聚焦后的像斑就可以用来衡量扩束本身带来的像差大小。
两个实际厚透镜是4个表面，薄透镜是1个表面。
再加上默认的物像平面，在Zemax 里定义上述系统，共需要7个表面。
1.通用参数设置：首先从系统-→通用配置选项里输入入瞳孔径值100mm，在系统-→光波长选项里输入工作波长1.0532.透镜表格编辑：根据设计要求，编辑透镜表格如下：由于目前我们不知道两个透镜表面半径该多大，因此我们都没输入初始值，选默认的无穷大，即都是平板。
这个值我们可以通过软件的优化功能获得，因此把他们定义为变量。
注意，设计要求凹透镜为平凹镜，因此第一个表面半径为无穷大，不能变，即表格里的“3”面。
而其余三个待确定量设为变量。
激光变倍准直扩束系统设计
l
引
言
由于激光具有光能量集中、 方向性和单色性好等特点， 激光准直扩束系统1 1 1 被 广 泛 的 应 用 在 激 光 测 距 |21, 激 光切割， 空间光学， 激光干涉仪， 激 光 制 导 等 各 个 领 域 。激 光 器 输 出 方 向 性 极 好 的 细 激 光 束 ， 有 着0 . 2~ 5 m r a d 极 小 发 散 角 P1; 在 精 密 测 量 中 ， 还需采取办法进一步提高其准直性， 改 变 激 光 光 斑 大 小 。激 光 准 直 扩 束 系 统 能 进 一 步 压 缩 发 散 角 和 扩 大 光 斑 尺 寸 。而 目 前 为 止 大 扩 束 比 的 准 直 扩 束 系 统 扩 束 比 为 定 值 ， 且大都采用反射式扩 束 系 统 |41， 反射式扩束系统采用非球面反射镜1 5 1 的结构， 具有加工难度大， 不 易 调 整 等 特 点 。 目前还有一种利用 衍 射 型 台 阶 化 面 型 近 似 二 次 非 球 面 的 激 光 扩 束 方 案 |61， 对典型的束腰半径为2 m m 的高斯光束， 实现了 2 . 8 倍的 理论扩束比， 这种方法采用了近似非球面的衍射型元件， 加工难度大， 理论计算复杂， 不 易 实 现 。 本文基于无
后 固 定 组 。在 三 组 元 透 镜 组 合 1 8 1 而成的无焦变倍准直扩束系统中， 当变倍组移动时， 其放大率会有所变化。 这时若通过移动补偿组， 使变倍组的像点恰与补偿组的前焦点重合， 则此时的光学系统仍然是一个无焦系 统 |91， 并 且 出 射 光 束 口 径 会 通 过 这 两 组 透 镜 的 移 动 而 发 生 变 化 。一 般 情 况 ， 三组元透镜组可采用“ 正一负一 正” 、 “ 负一 正 一 负 ” 或“ 负一负一正” 等 形 式 。与 “ 负一正一负” 和“ 正_ 负一正” 相比， “ 负一负一正” 具有组合 长 度 短 和 可 快 速 变 倍 的 优 点 。下 面 详 细 介 绍 “ 负一负一正” 结 构 的 无 焦 变 倍 原 理 。系 统 结 构 如 图 1 所 示 ： 其 中 L, 为前固定组； 1^为 变 倍 组 ； L 3 为 补 偿 组 。 弋 为 前 固 定 组 L , 与 变倍 组 1 ^ 2 之 间 的 间 隔 ； < 为变倍组1^2 与 补 偿 组 L 3之间的间隔； 屯 为 前 固 定 组 L , 与 补 偿 组 L , 之 间 的 间 隔 ||(>|。 (a ) 吨 （ b)
基于ZEMAX的激光扩束系统设计开题报告
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。
柱面镜扩束系统
柱⾯镜扩束系统柱⾯镜扩束系统⼀、实验背景ZEMAX 是⼀套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表集成在⼀起，它能够在光学系统设计中实现建模、分析和其他的辅助功能。
ZEMAX中有很多功能能够通过选择对话框和下拉菜单来实现。
同时，也提供快捷键以便快速使⽤菜单命令，ZEMAX 不只是透镜设计软件⽽已，更是全功能的光学设计分析软件，具有直观、功能强⼤、灵活、快速、容易使⽤等优点。
ZEMAX功能说明：1、序列性（ Sequential ）光线追迹⼤多数的成像系统都可由⼀组光学表⾯来描述，光线按照表⾯的顺序进⾏追迹。
如相机镜头、望远镜镜头、显微镜镜头等。
ZEMAX 拥有很多优点，如光线追迹速度快、可以直接优化并进⾏公差计算。
ZEMAX 中的光学表⾯可以是反射⾯、折射⾯或绕射⾯，也可以创建因光学薄膜造成不同穿透率的光学⾯特性；表⾯之间的介质可以是等向性的，如玻璃或空⽓，也可以是任意的渐变折射率分布，折射率可以是位置、波长、温度或其它特性参数的函数。
同时也⽀持双折射材料，其折射率是偏振态和光线⾓度的函数。
在 ZEMAX 中所有描述表⾯的特性参数包括形状、折射、反射、折射率、渐变折射率、温度系数、穿透率和绕射阶数都可以⾃⾏定义。
在 Sequential的光源追迹中，光源由物⾯上的视场或Bitmap扩展光源定义。
有常规的点光源，视场点可由⾓度、物⾼、实际像⾼或近轴像⾼来定义；点光源可以⽤不同权重定义，还可以分别指定每个光源的渐晕，进⽽调整不同视场的相对照度或F/＃。
ZEMAX也⽀持像散或椭圆形状的⼆极体光源及扩展光源，这些光源允许使⽤者⽤ASCII码⾃⾏定义的，它类似于Bitmap 图形，或⽤标准的Windows BMP或JPG格式⽽且各个象素上的光强度可以是不同的。
2、⾮序列性（ Non-Sequential ）光线追迹很多重要的光学系统不能⽤ Sequential 光线追迹的模式描述，例如复杂的棱镜、光机、照明系统、微表⾯反射镜、⾮成像系统或任意形状的对象等，此外散射和杂散光也不能⽤序列性分析模式。
基于伽利略结构的二级激光扩束系统的设计
文章编号:1002-2082(2008)03-0347-04基于伽利略结构的二级激光扩束系统的设计郑 盼,杨应平,郜洪云,陶 艳(武汉理工大学,湖北武汉430070)摘 要: 针对高倍率扩束系统设计要求(即轴上和轴外像差都得到较好的校正),从三级像差理论出发,设计了一种新型的40×高倍率激光扩束系统。
该系统是基于简单的伽利略结构并通过二级扩束系统来实现的,系统包括4片透镜,通过引入2个二次非球面、2个反射镜或1个棱镜来折叠光路。
利用CODE V 光学设计软件给出了该系统的光学结构参数和外形结构图,并进行了像质评价。
结果表明:该系统结构简单,设计难度小,成本较低,像质好,性能优良,是一种可以被广泛采用的高倍率激光扩束系统。
关键词: 光学设计;像差理论;高倍率;二级扩束;非球面中图分类号:T N 243 文献标志码:ADesign of two -level laser beam expander based on Galilean structureZHENG Pan,YANG Ying-ping ,GAO Hong -y un,T AO Yan(W uhan U niv ersit y o f T echno lo gy ,W uha n 430070,China )Abstract :A new laser beam expander w ith mag nificatio n of 40×as w ell as o n-ax is and o ff-axis aberration corrected pro perly ,w as desig ned based o n the third-order aberration theo ry.This sy stem is realized by tw o -step beam ex panding based on a sim ple Galilean structure .T he beam path o f the system is folded by fo ur lenses,tw o seco nd-order aspheric surfaces and two mirr ors (or a pr ism ).T he optical mechanical parameter s,outline dr aw ing and image evaluation are given by the aid of optical design softw are CODE V.This sy stem features simple desig n and structure ,low cost ,hig h image quality and g ood perform ance .Key words :o ptical design;aber ratio n theory ;hig h-magnification;tw o-step beam ex panding;aspheric surface引言目前,激光扩束系统在诸如激光雷达、全息照相、激光测距以及光通讯等领域有着十分广泛的应用,其主要作用是通过改善激光束的空间发散角,使光束的准直性进一步得到改善,并使其满足孔径要求[1-2]。
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
高功率激光发射系统的一级扩束设计
高功率激光发射系统的一级扩束设计邵帅;高云国;郭劲【摘要】针对高功率激光发射系统对一级扩束的要求(即光束质量和扩束倍率都得到较好的保证),研究了高功率激光一级扩束系统.从激光扩束系统的类型、镜体基材选取等方面论述了高功率激光发射系统的一级扩束设计过程.首先,通过分析扩束系统类型,设计了离轴无焦卡塞格林扩束系统;然后,对高功率激光反射镜基底材料选取进行分析,确定了采用金属无氧铜作为镜体的基底材料;最后,对设计结果分别进行了定性和定量检测.结果表明,该一级扩束系统的波相差为0.538 λ(λ=0.6328 μm),该系统像质好,性能优良,是一种可以被广泛采用的强激光扩束系统.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2010(040)007【总页数】4页(P744-747)【关键词】高功率激光发射系统;一级扩束;设计【作者】邵帅;高云国;郭劲【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院研究生院,北京,100039;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033【正文语种】中文【中图分类】TN2431 引言高功率激光发射系统是强激光空间传输系统中不可缺少的装置。
对高功率激光发射系统的研究一直是激光应用领域的关键技术问题。
高功率激光发射系统通常由前级扩束系统、导光光路系统和主扩束系统组成,其作用是将由大功率激光器输出的强激光束,首先经过前级扩束光学系统进行变换,在达到工作指标要求后,再经过导光光路系统,最后进入主扩束系统进行发射。
其中,前级扩束系统由一级或多级望远镜组成,用于将激光器输出的光束准直扩束,使之实现光束参数匹配或像质匹配[1]。
在一级扩束的强激光通道中,光束的直径都比较小,镜面要承受很高功率密度的强激光照射,镜面对强激光的吸收,特别是光强分布不均匀的激光束,会引起镜面面形的畸变,导致产生光束波前误差,反射镜的热畸变严重时,会影响激光发射系统的光束质量[2]。
大视场反射式激光扩束系统光学设计
大视场反射式激光扩束系统光学设计衣同胜;吴从均;颜昌翔;于平【摘要】激光扫描捕获系统通过对激光光源进行扩束变换,压缩光源的发散角度,可减少在远距离传输中的能量损失.为满足某通信实验需要,设计一种放大倍率为10倍,光源扫描视场为48°×40°的小型扩束系统.系统要求在1 550 nm、1 064 nm、800 nm和632.8 nm激光波段,全视场范围内波像差RMS不大于0.1λ(λ=632.8 nm),且无中心遮拦.通过计算初始结构参数,利用Zemax软件优化,采用4片反射式非球面进行设计,全系统体积约为90×100× 60 mm3,波像差最大为0.095λ,满足系统尺寸和像质要求,整个系统光能透过率约为92％,满足透过率大于85％的设计要求.%Laser beam expander is used to compress the laser divergence angle, in order to reduce the energy losing in long distance scanning acquisition system. To meet the requirements of the laser communication experiment, a laser beam expander system was designed. The system has 10 times magnification and 48°× 40° working field, which is used in 1 550 nm, 1 064 nm, 800 nm and 632. 8 nm laser wavebands (632. 8 nm waveband is mainly used for system test). After the calculation of primary structrue parameters and the optimization by Zemax, four conic mirrors were used to compose the system. Considering the tolerence, the system's maxium wavef rent aberration(WFE) is 0. 095λ(λ = 632. 8 nm) that satisfies the requirement of the RMS of WFE <0. 1λ. It has a total size of 90 × 100 × 60 mm3 and transmission of about 92%,which also meets the 85% transmission demand.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2012(033)006【总页数】6页(P1156-1160,1184)【关键词】望远结构;激光通信;大视场;激光扩束;光学设计【作者】衣同胜;吴从均;颜昌翔;于平【作者单位】辽宁省葫芦岛市32941部队91分队,辽宁,葫芦岛125000;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间光学部,吉林,长春130033;中国科学院研究生院北京100039;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间光学部,吉林,长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间光学部,吉林,长春130033【正文语种】中文【中图分类】TN24;TH703引言激光光源具有单色性高、方向性好、相干性强、高能量等诸多优点，在激光通信、激光测速、激光测距、激光加工、激光准直、激光定位、激光雷达等领域内得到广泛应用［1］。