激光扩束准直的学习
激光准直扩束注意事项
激光准直扩束注意事项激光准直和扩束是激光技术中的重要工艺环节，它涉及到激光束的调整和优化，对于激光器的性能和应用具有重要的影响。
以下是关于激光准直和扩束的注意事项。
1. 准直调节：在激光束的准直调节中，首先应确保光路系统的稳定性和准确性。
调节时应采取稳定的支撑装置，避免外界的振动和干扰，以保证调节的精度和准确性。
其次，准直调节时应采用高精度的准直仪器，如细动螺丝、角度尺、反射镜等。
通过调节反射镜的角度和位置，使激光束与光轴重合，达到准直要求。
此外，准直调节还需考虑到激光束的色散参数，因为不同波长的激光在空间中会产生不同的色散效应。
对于多色激光器，需要特别注意准直时的色散补偿。
2. 扩束调节：在激光束的扩束调节中，通常采用逐点扩束法。
首先，需准确测量激光束的束径和发散角，然后根据设计要求调整逐点扩束位置和焦距。
在扩束过程中，需要注意激光束的功率分布，以避免能量过度聚焦导致光学元件损坏和光束质量下降。
常见的方法是采用透镜组合来实现扩束，通过透镜的设计和布置来控制光束的扩束和高斯功率分布。
此外，还需注意扩束过程中的色散问题。
不同波长的激光束在透镜中会产生不同程度的色散，导致扩束后的光斑大小不一致。
因此，在设计和选择透镜时，要考虑到激光束的色散补偿，以保证扩束后的光斑稳定和一致。
3. 材料选择：在激光准直扩束过程中，需要选择适合的光学材料。
由于激光束的高能量密度和聚焦效果，光学元件容易受到热应力和光学损伤等问题的影响。
因此，对于高功率激光器应选用具有高热稳定性和耐损伤性的材料，如石英、硅、钛宝石等。
此外，还需考虑材料的透光性和光学性能。
不同材料对于激光器工作波长的透光性不同，选择合适的材料可有效减少激光器的光损耗和能量损失。
4. 温度和湿度控制：在激光准直扩束过程中，温度和湿度对于光学元件的性能和稳定性有重要影响。
要保持恒定的环境温度和湿度，以确保光学系统的稳定工作。
温度过高会引起光学元件的热膨胀和热应力，导致光斑形状的变化和光学性能的降低。
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。
激光准直的基本步骤
激光准直的基本步骤嘿，咱今儿个就来讲讲激光准直那些事儿哈！你可别小瞧这激光准直，它就像是给各种工程、测量啥的安上了一双精准的眼睛呢！那激光准直的第一步啊，就好比是给一场精彩演出拉开帷幕，得先把激光源给准备好呀！这激光源就像是舞台上的主角，得闪亮登场才行。
得挑个质量好的、稳定的激光源，不然它一会儿亮一会儿暗的，那可咋整啊！这就好像你要去跑步，总不能穿双破鞋吧，那不得把脚给磨破喽。
第二步呢，就是调整激光束的方向啦！这就好像给箭调整方向，得让它直直地朝着目标飞过去呀。
要是方向歪了，那可就射偏啦！得小心翼翼地调整，不能马虎。
你想想，要是射箭的时候手一抖，那箭不就不知道飞到哪里去啦。
接下来第三步，是设置好接收装置。
这接收装置就像是守门员，得稳稳地接住激光束传来的信号呀。
要是接收装置没弄好，那激光束就算射得再准，也没个落脚的地儿呀。
就好比你踢球，踢得再好，没人接球，那不是白搭嘛。
第四步呢，就是要进行精确的测量和校准啦！这可不能有一点差错，就跟你做数学题一样，一个小数点错了，那结果可能就全错啦。
得反复测量，反复校准，确保万无一失。
然后到了第五步，还得实时监测和调整呢！这世界上可没有一成不变的事儿，环境啊、条件啊随时都可能变化。
就好像天气，一会儿晴天一会儿下雨的，你得随时注意着，及时调整激光准直的状态呀。
不然，前面的功夫不就白费啦？激光准直啊，虽然听起来挺高深莫测的，但只要咱一步一步来，就像盖房子一样，一砖一瓦地垒起来，肯定能把它弄好呀！它在好多领域都发挥着大作用呢，比如建筑、测量，那可都少不了它。
你说，这激光准直是不是很神奇呀？咱可不能小瞧了这些个技术，它们可是能让我们的生活变得更美好、更精确呢！咱得好好了解了解，说不定哪天自己也能用上呢，对吧？。
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)
光学测试技术-第2章-光学准直与自准直技术1
(-z-)--z处的光斑半径（光强下降到光斑中心光强的
1/ e处2 的光斑半径； ----激光波长； --n--传播空间的折
射率，在大气中传输时取为1。
第一节 激光束的准直与自准直技术
其中
2
(
z)
02
1
z 02n
2
（1）束腰处的波阵面为平面，此时 R(0) （取束腰位于
坐标原点），则有：
q0
与望远镜视放大率有关，此外还和高斯光束结构参数
（ 10,）z1 有关。增大 （z束1 腰远离望远镜 ）L，1 压缩比
也增大，光束准直性将更好些。
第一节 激光束的准直与自准直技术
总结：望远镜两透镜的距离为 D f1，f2其 中
f2 f1
如果有一高斯分布的激光光束，其发散角为 ，从左方
入射到倒置的望远系统，出射后的发散角 f1
第一节 激光束的准直与自准直技术
由于激光具有极好的方向性，一个经过准直的连续输出的 激光束，可以认为是一条粗细几乎不变的直线。因此可以用 激光束作为空间基准线，这样的激光准直仪能够测量直线度、 平面度、平行度、垂直度，也可以做三维空间的基准测量。
激光准直仪和平行光管、经纬仪等一般的准直仪相比， 具有工作距离长，测量精度高和便于自动控制、操作方便等 优点，可以广泛地用于隧道开凿、管道铺设、高层建筑建造、 造桥、修路、开矿以及大型设备的安装、定位等。
（例如中心斑直径 70m , 保持约1m范围内光强分布基本不变）
这一特点，在测量上可有许多用途。
图示为用于测量物 体表面轮廓的一个
扫描反射镜
CCD相机
例子。准直激光束
通过轴锥镜成为近
似的零阶贝塞尔光 束，经扫描反射镜。 光束在被测表面扫 一条细亮线。
激光准直扩束设计和仿真
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。
激光原理与技术 第7讲 高斯光束的聚焦和准直
第七讲 高斯光束的聚焦、准直
7.1 高斯光束通过薄透镜的变换
已知入射高斯光束束腰半径为0，束腰位置与透镜的距离为l，
透镜的焦距为F，各参数相互关系如下图，则有：
z
0处：q 0
q0
i
02
在B面处： q
1
B
q
1
A
1 F
在A面处：q A q0 l 在C面处：q C q B lC
研究其规律：
1
02
1
02
1
l F
2
f2
F
2
d dl
2 0
02
2 F2
l
F
d0
dl
03 02 F
2
F
l
7
7.2 高斯光束的聚焦
A、l F：
d0
dl
03 02 F
2
F
l
0
0 将随着l的减小而减小，
因此当l 0时有最小值：
此时像方高斯光束束腰位置：l
lC
F
F2 0 F 0 F 2 f 2
4
7.1 高斯光束通过薄透镜的变换
当不满足以上条件时，则不能套用几何光学的结论。
当l F时，可以求出l F，此时物方、像方高斯光束的束腰都位于 焦点处，这与几何光学中平行光成像于无穷远处的结论不相符。
当l F时，l仍可解出大于零的解。 例如当时l 0，即入射的物方高斯光束的束腰位于透镜上，可以得到：
2
0 F l k 0 l F l
几何光学薄透 镜成像垂轴
放大率公式
束腰半径是高斯光束所有光斑半径的最小值，可以将其类比为几何光学中
光束的焦点，在满足假设条件的情况下，物方、像方高斯光束经过薄透镜
激光准直扩束设计和仿真
θ' 1 2
ω2' 2 = 2 2 1+( πω2' ) 1f 2 πω 0 '
)
2
2 πω 2 ] λf 2 2 λf2 (1+( ) ) πω0' 2
（6 ）
所以 ω0 "= λf 2 f f = 2 ω= 2 ω0 πω0' f1 f1
增大出射光束的腰粗， 就可以缩小光束的发散角； 同时增
Equipment Manufactring Technology No.3， 2009
激光准直扩束设计和仿真
李建新
（武汉软件工程职业学院光电子与通信工程系， 湖北 武汉 430205 ）
摘要： 从哈特曼法自动测量像差所需解决的准直 （平行） 光束出发， 基于高斯光学理论， 从工程角度分析了大倍率准直扩束系统的原 理， 实现了改变激光光束直径和发散角的准直扩束系统的设计， 并通过仿真得到了验证， 满足了光学系统的哈特曼像差测量要求。 关键词： 光学测量； 激光器； 准直扩束 中图分类号： TP 274 +.5 文献标识码： A 文章编号： 1672- 545X （2009） 03- 0028- 04
图 5 短焦距 f1 改变时仿真
tmp1=bl.*s/(pi*W0*W0); W=W0.*sqrt(1+tmp1.*tmp1); 由公式 （4 ） 入射光束在镜面 处的截面计算 W01=(bl*f1/pi)./W; W011=(f2/f1).*W; ksb=W011/W0; Q11=(bl/pi)./W011; subplot(4,1,1),plot(s,W01); xlabel(' 物距 s'),ylabel(' ω0’ '); subplot(4,1,2),plot(s,W011); xlabel(' 物距 s'),ylabel(' ω0” '); subplot(4,1,3),plot(s,ksb); xlabel(' 物距 s'),ylabel(' 压缩或扩束比 '); 由公式 （7 ） 的计算 ω0 ' 计算 ω0 " 扩束倍率或准直光束压缩比
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故用zemax模拟一个为φ70×8f2=348.45mm的透镜做为第二镜组，与第一镜组组合使用，两镜间距为Δ=348.45-3.1=345.35mm左右。
波相差PV值为21waves，相比最早设计激光准直的时候直接优化使像面上的入射光线平行，其存在严重的波相差PV值为71waves。故理论计算的结构可做为初始结构来优化一个完美的准直系统。
由于变量只有第二镜组的两个曲率与变化不得很大的两组间距，优化使φ70平行光波相差有比较好的效果，存在困难，故必须在第二镜组引入新的透镜，两个双分离结构来设计并保持第二镜组的焦距为f2=348.45mm。引入双分离结构，增加了5个变量，较容易得出比较好的φ70平行光波相差。
双分离结构
从上图可以看出0.1视场以内基本达到衍射极限，波相差PV值为0.0782waves，基本达到理想的平面波前。其可用来做干涉仪和平行光管里的准直光波。
二、高斯光束扩束系统的设计
激光光源选用thorlabs公司的He-Ne激光器：角发散性1.3mrad，束腰直径0.63mm，假定激光器束腰在出射面上，则选用公司库存的双凹透镜φ6×3.8f1=-3.1mm做为第一镜组时，考虑整机结构，选择 为60mm， =0.0007mm， =-0.002mm可见，其束腰为虚束腰，束腰位置基本也位于第一透镜的后焦点上，接着按照（5）式为了达到扩束到70mm的光斑，计算 的焦距为348.45mm。
上图正是使用伽利略型扩束结构，由远场发散角（4）式可知， 达到最小，则需要使 达到最大值，由式（3）可知， 必须为0，并化简式（3）得：
从（5）可知使 达到最大值，还可以使 越大， 越小。因为 必须为0，故由（2）式可知 也等于0，故在第二镜组中，物束腰和像束腰都落透镜的前后焦点上。
由于第一镜组的像束腰为第二镜组的物束腰，故 ，为了使 最小，则从第一镜组推得 必须越大， 越小。故从式（2）可知 必然是个很小的值，几乎接近于0。可见，第一镜组的后焦点与第二镜组的前焦点不重合，不能用常用的倒置望远镜系统来达到对激光准直扩束的目的，存在微小的差异。
一、高斯光束通过光学成像系统的变换
定义w(z)为z点的光斑半径，它是z的函数，即：
（1）
式中： 为激光波长；w0为z=0处的光斑尺寸，称为光束的“束腰”，束腰位置光束半径最小；w’0为经过单透镜变换后的高斯光束的束腰半径；
为人射光束的束腰位置到透镜前焦点的距离，入射光束腰位置在透镜前焦点前方时为正，否则为负； 为出射光束的束腰位置到透镜后焦点的距离，出射光束腰位置在透镜后焦点后方时为正，否则为负。
三、总结
激光准直扩束必须保证平行光的波前波相差达到理想平面波前，故对其准直设计时，在理论分析的基础上选好初始结构，然后进行优化设计可以事半功倍。在发散角不是很大的时候，选择的结构基本跟导致望远镜结构相类似。对扩束倍率较高的时候，物镜采用双分离结构，可以达到较好的效果。
这些总结都是个人通过文献学习的理解，难免有不足和误解，真诚希望有经验的同事能对我做出指导和改善。
高斯光束准直扩束系统设计学习总结
这一段时间学习zygo干涉仪，剪切干涉仪，平行光管都需要用到优良的平行光，就涉及到准直扩束问题，现状激光的崛起，许多光源都改换为激光，因为其具有光能量集中、方向性和单色性好等特点。但是，一方面激光光束既不是平面波，也不是球面波，在稳态凹形激光谐振器中是一种所谓高斯分布的光波；另一面，由于高斯光束的干涉将产生一个附加位相差，在光学干涉仪中需要对激光进行准直扩束，压缩远场发散角的方法来减小因该附加位相差引起的测量误差。因此，对激光准直扩束光学系统设计不能采取实验室中常用的倒置望远镜系统来达到对激光准直扩束的目的。
式(2)为像方束腰位置方程，式(3)为像方束腰半径方程。
式中：f为透镜焦距；而 符号由f决定，为负时说明是虚束腰．对于一个光学系统，确定了透镜的几何焦距后，只能通过改变 和 来调节聚焦后高斯光束的束腰位置和尺寸。在激光扩束中，为了光束在远场发散角最小，这就要求 较大。
远场发散角： （4）
最合理减小激光束发散角的系统是双镜组系统，对激光束连续两次交换。系统的第一镜组可以是正的，也可以是负的，负的镜组能够得到更紧凑的系统，第二镜组往往是正的。