激光扩束系统设计

工程光学课程设计（论文）激光扩束系统设计学院（系）：物理与材料工程学院专业：光电子技术科学学生姓名：戴晨冲学号：2009053402指导教师：丛妍完成日期：2012-12-01大连民族学院摘要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。根据光学理论手工计算出了扩束镜焦距f1及后扩束镜焦距f2，并根据理论结果设计出来扩束比为5的扩束系统，通过应用ZEMAX软件对设计结果进行了优化。关键词：激光扩束镜；光学设计；ZEMAX软件目录摘要 I设计要求： 1第一章绪论 2第二章光线追迹求解前扩束镜焦距f1及后扩束镜焦距f2 3第三章Zemax光学设计软件简介 6第四章课程设计结果Zemax验证 8致谢 11设计要求：设计要求：采用三片结构，激光扩束比：5倍，通光口径D：5mm半视场角：0°设计波长：0.60um，光学总长：280mm计算：前扩束镜焦距f1，后扩束镜焦距f2，激光扩束系统设计参数第一章绪论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式中分别表示两镜的焦距，两镜间距，其中表示失调量，为放大镜的放大率。设入射光束束腰为，焦参数为，物距为s，经望远镜系统后变为束腰为，像距为的高斯光束。其中对于调焦系统有：远场发散角与束腰间有反比关系，即 ，远场发散角被压缩倍，且与物距和像距均无关。当时，，即像方激光束腰位于第二透镜的后焦面上；当时，，该望远镜系统的扩束比。2、几种激光扩束望远镜的性能分析折射式扩柬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。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。第二章光线追迹求解前扩束镜焦距f1及后扩束镜焦距f2已知：本设计相当于伽利略望远镜系统的倒置，故：由光路可逆原理：第三章Zemax光学设计软件简介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。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主要应用的领域包括：显微镜、望远镜、目镜等镜头设计等（球差、彗差、像散、场曲、畸变、轴向和垂轴色差）；传统相机镜头、数码相机镜头；各种变焦镜头、摄像头等；各种夜视系统、光学发射天线等；

LCD背光板和LED建摸及照明设计优化；光管、光纤连接器等通信系统和元器件；

车灯等各种照明系统设计和分析；

DVD、VCD激光读写头；LCOS、DLP等各种投影仪及光学引擎设计；干涉仪、全息光学；光通信元器件设计分析；有源及无源器件、光纤耦合效率计算、光纤耦合效率优化分析；物理光学BPM计算和波导光学软件数据接口实现合作计算；各种激光器谐振腔等；激光光学系统，激光打标机及元件设计；系统分析；激光扩束镜头、F-theta扫描镜头设计优化；整形镜头设计。ZEMAX软件可以实现的主要功能：

几何光学设计：各种成像镜头的设计、成像质量分析、温度环境分析、生产加工分析。

物理光学设计：各种激光系统及元件的设计及分析，光学相干衍射特性分析、光纤耦合等。照明系统设计：各种照明系统的设计，包含光机设计，可以个Pro-E、Auto-CAD、Solid-Works等。

扩展功能：ZEMAX软件可以和C语言、C++、VB等编程语言进行配合使用。以上各种功能几乎涵盖了光学的各个领域，在各个领域中该软件都可以实现自动的优化求解，使用非常便捷，是目前全球光学工程师应用最广泛的设计软件！ZEMAX功能强大：

玻璃材料离散优化方法：可以指定材料库进行玻璃牌号的优化，此方法配合高级优化进行，软件可以自动方便的寻找软件指定玻璃牌号的材料。直观的成像质量分析：当您设计好一款镜头的时候，可以将一个BMP格式的图片放在物方，用这个功能可以快速的看到经过镜头后成像在像面上的成像图片的质量。成像分析方便直观。丰富的光学棱镜和元件库:在ZEMAX-EE版软件中，有丰富的光学元件及棱镜库，方便调用、使用灵活、材料尺寸可以随意定义。照明系统快速优化功能：最新版的ZEMAX-EE对于照明系统的优化速度提高了50倍，是同类软件无法相比的。同时采用传统的评价函数的设定方式，使用方便。功能强大的全局优化算法。公差分析可以模拟生产加工及装配。有些光学系统用在很广的温度范围或不在常温下使用时，需要考虑温度和压力的影响。ZEMAX使用非线性温度模型，而不是简单的dn/dt近似。ZEMAX可以指定或优化温度膨胀系统的透镜或组件之间的间距，玻璃目录包括温度和压力数据，以支持温度效应分析计算，可以精确地仿真光学面的温度膨胀特性。巨集：ZEMAX支持巨集语言，称为ZPL，其结构有点像BASIC，也支持函数调用、自定义数组、数字和字串、文本和图形输出等。针对更复杂的分析功能，ZEMAX支持延伸功能程序界面，叫Extensions，可在外部程序的控制下进行光线追迹、分析和优化，可用C或C++语言编写。偏振光追迹：ZEMAX具有全面的偏振光追迹和分析能力，可以任意定义输入光线的偏振态，ZEMAX可考虑穿透、反射、吸收、偏振态、衰减和延迟。偏振光追迹可要求计算面和体材料的效应，面效应决定于面上的光学薄膜特性。薄膜模型：ZEMAX具有薄膜的建模能力，可定义多层金属或介电质膜。薄膜可以用在介电质或金属基底上，可以由任意层数、任意材料组成，每种材料可以由复折射率定义。在设计成像系统时，点光源能够精确描述很多方面的成像质量，但是扩展光源对观察畸变(特别是非径向畸变)很有用，用来检查像的方向、分色及定量观察整个系统的性能。ZEMAX支持二种扩展光源：ASCII格式的光源，是一些简单的形状，如字母、方块等，也支持彩色的WindowsBMP和JPG格式的光源，它可以对光源进行缩放、旋转，也可以放在视场中的任何地方。材料建模：ZEMAX中有详细的体吸收模型，包括任意波长、任意厚度的玻璃穿透率，体吸收会使光线衰减，衰减的程度决定于光线的光程、材料特性和波长，所有材料都可以定义吸收或穿透特性。偏振数据：ZEMAX可以定义偏振与非偏振入射光束，可在3D空间中追迹电场矢量，包括每个面的交点处之S和P分量，其偏振分析结果可以是表格数据或图形数据。双折射材料：ZEMAX可仿真双折射单轴晶体，如方解石。其介质的有效折射率是角度(与面法线及晶轴的夹角)的复函数，因此这些材料的光线追迹相当复杂，ZEMAX可全面地以3D处理传播的光线，可正确计算任何入射角、任意晶轴方向的任何偏振态之相位，也可考虑偏振穿透率，另外o光和e光的路径也可计算，其中还包含双折射材料库，任何色散的新材料都可以自定义。第四章课程设计结果Zemax验证光线追迹图图1：光束追迹一维图图