一种激光连续变倍准直扩束系统的设计

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(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)

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。第二类是选用透射式系统,此类系统是由两个或两个以上的透镜组成。常见的系统有开普勒系统和伽利略系统,由于此类系统结构简单,实际应用价值较高,所以具有小变倍比需求的系统可采用第二类方法。本文采用没有内部焦点的倒置的伽利略式望远镜系统结构设计一个无焦变倍的激光扩束准直系统,选用透射式变焦系统实现一级低倍放大,扩束比范围为5～25,系统只有4片透镜,结构简单,后期样机易于装调,实际生产应用价值高。

随着激光变焦扩束系统研究的发展,近些年来国内外已经研发了一系列相对成熟的系统。同济大学研制的一款Φ300HTM激光扩束器,是具有大口径、高倍率特点的哈特曼扩束器。该系统总长950 mm,通光口径为Φ300 mm,扩束比为30×;武汉巍腾科技有限公司研发的VIS-NIR 56C-30系列的电动变焦激光扩束镜可实现1×～4×或2×～8×的连续变焦,系统像差小于λ/4;CVIMG公司研发的LBV系列激光变焦扩束系统,可实现2.5×～10×的变倍比,系统像差小于λ/10[5]。

1 扩束系统设计原理与设计

1.1 低倍率扩束系统设计原理

激光光束是由激光共振腔尺寸和几何形状决定的高斯光束,光束呈双曲线状,其方向性与透镜焦距、入射光光束的束腰有关[6]。束腰越小,高斯光束的方向性越好。激光光束经过透镜系统的变换矩阵为[7-10]

(1)

图1 激光通过扩束望远镜的传输Fig.1 Transmission through the laser beam expanding telescope

对于调焦系统(Δ=0),有

远场发散角θ0与束腰ω0间呈反比关系时,

(4)

(5)

(6)

当s≫f1+f2时

(7)

在透镜L1的焦面上将得到一个极小光斑

(8)

式中:ω(l)表示高斯光束半径。

由上可知该望远镜系统的准直倍率为

(9)

根据以上公式可得出望远系统对高斯光束的准直倍率为

(10)

因此系统的准直倍率M′越大,其扩束准直性就越好。

1.2 激光扩束系统的设计

1.2.1结构的选择

激光变焦扩束系统的波长是单一的,考虑到系统激光能量很强,故系统选择没有内部焦点的倒置的伽利略式望远镜结构,且该结构简单,筒长较短,适用于低倍率扩束。伽利略扩束系统如图2所示,结构的前组为发散镜组,后组为会聚镜组,前后两组的焦点重合。

为使系统能够自由调节5～25倍的放大倍率,在前组和后组之间添加变倍组以实现放大倍率的调节,添加变倍组后的初始结构如图3所示。调节变倍组与前组距离间距1和变倍组与后组距离间距2即可实现放大倍率的调节。

图2 伽利略望远镜系统Fig.2 Galileo telescope system

图3 无焦扩束系统初始结构Fig.3 Initial structure of focus-free beam expanding system

1.2.2优化设计

使用Zemax软件建立上述变倍扩束系统初始结构[11-12],不同的组态扩束比值不同,所以添加了5组多重结构(间距1和间距2为多重结构改变量),优化函数分别设置5组多重结构的放大倍率为5×、10×、15×、20×、25×,通过对Zemax的REAY优化函数设计,对光学系统中的透镜的曲率半径和间距进行优化,REAY操作数指定边缘孔径的边缘光线在像面上的高度,该高度实际上就是光束的半孔径,设置5个多重结构,优化函数分别优化5个多重结构的半孔径为2.5、5、7.5、10、12.5。

为了达到扩束比5×～25×的连续变倍设计要求,需要对系统的可变参数进行反复优化,如透镜的曲率半径和组元之间的空气间隔,在优化中发现,该结构大变倍比像质不好,在变倍组中添加一片透镜,则该系统为无焦扩束变倍系统,如图4所示,当移动第二组时,产生焦距的变化,这时用第三组补偿,当最后一组的物点与中间组的像点重合时,系统就是一个无焦的系统,而且光束口径会随着透镜的移动而改变[13]。

图4 无焦扩束变倍系统Fig.4 Focus-free multiplication-varying beam expanding system

重新优化,结果达到系统使用要求。图5所示为优化设计结果,图5由上到下分别是放大倍率25×、20×、15×、10×、5×时的结果。

图5 优化设计结果Fig.5 Results of the optimization

1.2.3像质评价

优化结果是否达到设计要求要通过一些像质评价方法来评定[14],例如星点图、调制传递函数(MTF)曲线和波像差等。由于激光的连续变倍扩束系统是小像差系统,通常选用波像差对系统的成像质量进行评价,各倍率的波像差如图6所示。

波像差就是系统设计完成后的实际波面与理想波面之间的偏差,光学系统的波像差愈小,说明该系统成像质量愈好。图6所示分别为5×、10×、15×、20×、25×时的系统波像差,可以看到,波像差最大均方根值均小于λ/40,达到干涉仪扩束系统的要求。对于激光干涉仪而言,很多激光扩束准直系统设计的波像差评价值都在λ/10至λ/40之间,考虑到实际加工装配过程中误差会导致成品镜头的波像差比设计值大很多,所以本文设计的激光扩束准直系统的波像差达到λ/80,达到干涉仪的要求。

图6 各倍率波像差Fig.6 Wave aberration for different ratios

透镜直径/mm正透镜的边缘最小厚度/mm负透镜的中心最小厚度/mm3～60．40．6>6～≤100．60．8>10～≤180．8～1．21．0～1．5>18～≤301．2～1．81．5～2．2>30～≤501．8～2．42．2～3．5>50～≤802．4～3．03．5～5．0>80～≤1203．0～4．05．0～8．0>120～≤1504．0～6．08．0～12．0

2 激光扩束系统的工艺分析

该设计的激光扩束准直系统除了可以设计出满足成像质量要求的光学系统以外,还需要考虑设计的系统可以通过合理的现代工艺进行加工生产,这也是课题后续实验研究的重要内容,所以要对设计的激光连续变倍扩束准直系统进行工艺分析。

在加工和安装过程中对光学零件的强度和刚性都有一定的要求,一般而言,正透镜的中心厚度较边缘厚度小,所以对其边缘厚度有一定的要求,而负透镜是边缘厚度较小,则要考虑其中心厚度不能太小[14]。表1所示为不同直径情况下的正透镜最小边缘厚度和负透镜的最小中心厚度。

将设计好的连续变倍激光扩束准直系统的光学镜片参数表对应的参数与表1进行一一比对,正透镜的边缘最小厚度和负透镜的中心最小厚度都能达到加工的工艺要求,因此该设计符合加工的工艺要求,具有实际加工使用价值。而且该设计只采用了一种玻璃(H-ZF6)达到校正球差的目的,满足干涉仪波像差像质要求,节约了生产成本,设计结构简单,具有良好的实际应用价值。

3 结 论

本文采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,选用透射式变焦系统实现一级低倍放大,实现光束口径大小连续变化,整个系统只用4片透镜组成,扩束比范围为5×～25×。对设计系统进行波像差分析,波像差最大均方根值均小于λ/40,满足干涉仪扩束系统的设计要求。系统结构简单,设计符合加工的工艺要求,在实际激光准直系统、短距传输等方面具有应用价值。

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