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【小麓讲堂】快速设计一个扩束/缩束器
发布时间:2021-10-14 00:00:00 编辑:麓帮主 阅读次数:780

 

激光扩束系统简介

 

扩束(缩束)系统是一种可将准直输入光束的直径成比例扩大(缩小)的系统,常用于激光扫描、干涉测量或遥测应用中。扩束器主要分两种:折射式扩束器与反射式扩束器,折射式扩束器利用透镜实现扩束功能,反射式则需要配合反射镜。

现有的折射式扩束器均以望远镜的无焦系统为模型,常见的望远镜结构可分为开普勒式和伽利略式两种。

图1.开普勒望远系统。

开普勒式望远镜由两个正焦透镜组成,中间具有一个焦平面,且输出光束相对输入光束倒立。相较于伽利略式望远镜,在高功率下,焦平面是一个明显的缺点,高功率会使空气会离子化,降低能量传输效率,还可能会损害系统。在低功率下,焦平面可以放置小孔,可以滤除光源边缘的无用光束,或放置分划板,用于校准。

图2.伽利略望远系统。

伽利略式望远镜由一个负焦透镜与一正焦透镜组成,系统内部无焦点。相较于开普勒式系统,在相同的放大倍率下,伽利略式望远镜能够保持光束的方向,系统长度更短,同时正负透镜组合可以降低系统的球差,得到较高的波前质量

开普勒式望远系统更容易对准且设计更直观,而伽利略式望远系统具有紧凑型尺寸,功率较高时,优先选择伽利略式望远系统,实际选型时可以根据不同系统要求选择更合适的结构。

 

扩束系统与高斯光束

 

对于高斯光束,其束腰半径越小,其发散角越大,当高斯光束通过扩束系统后,输出束腰直径大于输入束腰直径,输出发散角小于输入发散角。但当高斯光束经过缩束系统后,输出束腰直径小于输入束腰直径,输出发散角大于输入发散角。由于输出光束的发散角明显变大,所以当需要进行缩束时,需要根据应用减小光源的发散角

图3.高斯光束发散角示意图。
式中:λ为入射波长,ω0为高斯光束的束腰半径,ω1为某一点处光束半径,z为传播的距离。 

开普勒式扩束器与伽利略式扩束器的系统长度L与放大倍数M与组成系统的透镜焦距有关,具体关系如下:

其中f1、f2是考虑方向的焦距,即凸透镜焦距为正值,凹透镜焦距为负值。|M|>1时,为扩束系统,|M|<1时,为缩束系统。

扩束器和缩束器均为无焦系统,设计用于输入和输出平行光束。尽管光束是准直的,但由于衍射效应,光束直径在传播时会发生变化。光束的束腰直径(2ω0)和发散角(θ)都会受到扩束器和缩束器的影响。经过扩束系统的光束发散角会减小,反之,经过缩束系统的光束发散角会变大。输出束腰直径为扩束比与输入束腰直径的乘积;输出光束的发散角等于输入光束的发散角除以扩束比。同样的,可以用输入光束与输出光束发散角或光束束腰直径来表示放大倍率M: 

上式中θi为入射光发散角,θo为出射光发散角;ω0为入射光斑直径,ω1为出射光光斑直径。

 

扩束系统设计

 

当现有扩束器无法满足工作需求时,我们可以尝试利用现有透镜配合以达到控制光斑大小的目的。一般的,会优先考虑目前现有的产品,这样可以降低成本以及交期时间。设计之前,需要考虑以下三点:

(1)系统长度与结构。当放大倍数较小时有较多的透镜组合可做选择,同样的放大倍数,伽利略式会得到更小的系统长度,系统的设计难度随着系统长度的减小而增加。

(2)需要满足特定波长或是某个波长范围、特定输入光束直径。特定波长易于实现,但设计难度随着波长范围变宽而相应增加,若在宽谱波段下使用,应考虑色差的影响。另外,较小的光束直径更易于得到更好的波前质量。光束质量通常用波前像差来表示,波前像差越小,系统的成像质量越好。按照瑞利(Rayleigh)判据,当光学系统的最大波像差小于λ/4时,其成像是完善的,通常认为其具有衍射极限。

(3)成本与性能之间的平衡。N-BK7是最常见的透镜材料,成本低,多用于可见光和近红外应用领域,是一种理想的材料。而熔融石英,由于其低热膨胀系数和高激光损伤阈值,适用于高标准的应用。整体透射率主要受到增透膜的影响。除材料外,镀膜以及尺寸也是影响成本的两大因素。当光束直径较大时,为保证波前质量,则需要选择更大口径的透镜。未镀膜的光学元件虽然可以降低成本,但也降低了系统整体的透射率。

如果现在需要一个放大倍率为3倍的伽利略式扩束系统,20 mm与60 mm、25 mm与75 mm、50 mm与150 mm等均可满足放大倍率的要求,那么选择哪种更为适合呢?
在由两个单片透镜组成的伽利略扩束器设计中,波前质量将随着系统长度的增加而增加。所以在系统长度的允许下,选择长焦透镜会得到更好的波前,即选择50 mm与150 mm透镜对。
开普勒扩束系统设计实例

 

例如现在需要设计一个2倍的扩束器来满足工作需求,要求系统长度不超过85 mm,波前畸变≤λ/5,激光器输出为633 mm连续激光,光斑尺寸2.3 mm。

根据设计要求,有(10.0 mm、20.0 mm)、(15 mm、 30 mm)、(20.0 mm、40.0 mm)和(25.0 mm、50.0 mm)可选,因为相对于两个表面均为曲面的透镜,使用带有平表面的透镜,会有更好的波前质量,同时考虑到机械元件的厚度,为了便于安装,选择焦距为25.0 mm与50.0 mm的镀400 nm-700 nm增透膜的平凸透镜进行设计,透镜型号分别为CX10305-A和CX10610-A

利用Zemax快速仿真设计。图4和图5分别为系统的镜头参数和评价函数参数。 

图4.镜头参数编辑器。

图5.评价函数编辑器。

透镜参数输入至镜头参数编辑器中,设置入瞳大小和工作波长,设置两透镜间距离为变量,插入评价函数对两透镜之间的距离优化。在评价函数编辑器中参考质心光线,利用操作数TTHI提取系统长度,操作数OPLT控制系统长度不超过85 mm;操作数REAY控制输出光斑半径,保证放大倍率。图6为优化后的系统结构图。

图6.系统布局图(纵向缩放3倍)。

图7与图8分别为系统的点列图与波前图,系统仍可以达到衍射极限,波峰到波谷为0.036λ,远小于λ/5,满足设计需求。

图7.点列图。

图8.波前图。

以上为开普勒式扩束器的设计方法,该方法对于两片式伽利略式扩束器是通用的。在设计之前,需要对各方面因素进行综合考量,选取适合的光学元件进行设计,以满足工作中的各种需求。

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LBTEK提供成套的开普勒式望远镜系统,有多种放大倍率可选,除标品外,用户也可以根据需求进行定制或选择光学元件与机械件进行搭配,以满足要求。

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