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基于多重结构配置下激光束扩大器的研究
摘要：激光扩束应用于望远镜系统系统，其主要是扩展激光束的直径，同时在其他很多的领域被广泛应用；该项目通过ZEMAX仿真软件对其进行研究，要求在保证输入和输出光束要平行的情况下，直径为100mm、波长为1.053微米的输入光束在激光束扩大器作用下，输出直径变为20mm，根据以上要求，得出系统的尺寸计算和初始结构，通过ZEMAX仿真软件模拟系统具体光路图配置，再经过特殊处理校正光学系统像差。结果显示：本系统达到设计要求，不仅像质良好，而且结构精良。
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1、绪论
目前激光扩束器的应用十分广泛，我们熟知的有几个类型，一种是透射式激光扩束器[1-3]，它大多是相同的结构组成的，可能就是镜片个数不同的区别。比如开普勒系统和伽利略系统就是透射式的。它突出的特点就是结构简单，大多情况下是由球面透镜组成的，所以，为了更好地让变倍系统有良好的效果，我们是可以通过各种途径来达到效果的[4-6]。换句话说，就是更难的光学系统我们都可以设计，像变倍系统也是可以的。如果我们要求的系统输出的激光口径很大的话，很容易我们会知道透镜的口径也一定会随之增大，那么这就会使得一部分和口径相关的像差也会明显的增大，例如球差、彗差等等都会增大[7]。这样不只是照明的分布性受到了影响，也会让透镜的加工难度和成本随之提高，因此，只有小倍率的系统才适合用该类系统。
另外一种类型，则是反射式扩束系统。通常情况下，像卡塞格林系统、格里高利系统都是[8]。还有离轴反射式系统也属于该类型。采用大口径的反射的镜面，不止提高了扩束比，而且它的非球面设计会让误差的降低效果大大提高，这是该类系统的一个突出特点。压缩发散角受扩束比的影响，所以扩束比越大，就回越有利与它，并且提高了准直性，因此在激光扩束中有了广泛的应用。但是，反射式系统也存在不足的地方，像它的扩束比就不能够进行调节。因此，可以根据一种开口的大小研究，因此它的涉及广度就有了一定的局限，现在我们知道的号的光束变大的效果是50倍[9-11]，所以我们一般采用的是折射型扩束器，因为它有结构简单，调试方便的特点。
2、激光扩束的参数确定
初始结构，尺寸计算，需要根据具体的要求来求出。用光学软件ZEMAX模拟系统具体光路配置图，系统要求像差在合理范围，像差要求优化处理。（给出的具体要求：波长是1.053微米，同时要求输入的光束必须个输出的平行。要求输入的直径是一百毫米,输出的直径是二十毫米）。
首先，我们先确定透镜的焦距,假定给定的第一个透镜的焦距是10mm，由要求可知输入的光束直径为100mm，输出的光束直径为20mm，我们知道激光扩束的扩束比为5，激光束的扩束比为后一个透镜的焦距比上前一个透镜的焦距。所以，比值的公式为：
得出后一个透镜的焦距为50mm。表1为激光扩束的初始结构，通过表1从而得到我们需要的参数值。在ZEMAX光学设计软件中输入相应的参数，经过系统的优化之后得出3D效果图、子午光束与弧矢光束垂轴像差曲线（Ray Aberration）、光程差曲线（OPD Fan）、标准点列图（Standard）、调制传递函数（MTF）等图形，然后对进行分析。
表1激光扩束的初始结构
3、仿真结果
图1分别从四个不同的方向进行了激光束的扩大，在四幅图中我们可以清晰的看到激光束从一个方向先入射到前透镜中，所有的光线经过一个焦点汇聚之后再通过后透镜出射，入射前所有的光线平行，经过汇聚后出射的光线依然是平行光线。实现了所要求的入射光线平行于出射光线，并且光束得到扩大。标准点列图（Standard）:要看成像的质量是好是坏，必须要用点的密集程度衡量。图2就是经过ZEMAX光学软件进行处理之后得到的点列图，如果我们的光学系统是不错的，就需要这些点成像之后的点是一个比较理想的点。在实际的光学系统中，它的成像是一个点，我们把这个点叫做弥散斑。在该图中我们可以看到成的光斑特别分散，并没有会聚成一个点，因此该光学系统的成像质量是稍差的。
图2优化前的激光扩束点列图及优化后的激光扩束点列图
所以，我们要对系统进行优化。图2就是经过系统优化之后得出的点列图。从图中我们可以出光斑特别看出小，中间部分几乎成一个点，弥散斑越小就说明光学系统的质量越好，由此我们得出该光学系统质量还是很不错的。调制传递函数（MTF）：简单来说也是函数的一种，用来计算视场位置的衍射。一个物体，近似的当做是由各种频率组成的。在这个基础上，把物体的光强分布函数，一般情况下用傅里叶级数展开，有时用傅里叶积分进行展开。不同频率反映出来的是不一样的。每一个频率段有自己相对应的传递函数。图3就是经过ZEMAX光学软件进行处理之后得到的调制传递函数图，在图中，横坐标表示空间lp/mm(每毫米线对)，对比度用纵坐标表示，如果成像质量要好，那么曲线的高度就要越高。从图3中我们可以看到曲线的高度是相对较低的，并且曲线杂乱无章。所以系统的成像质量是较差的。由此，我们就需要对此进行优化。图3就是经过优化之后的调制函数图。在图中首先可以看到曲线线条清晰，曲线的高度相对来说还是可以的，所以该光学系统的成像质量还是不错的。
图3优化前的激光扩束调制函数图及优化后的激光扩束调制函数图
4、结论
本章主要对ZEMAX光学软件仿真出来的各种图形进行详细了分析，最主要的首先就是3D效果图的分析，给出了四幅分别从不同方位仿真出来的光路图。本课题主要研究的是激光束的扩大，并要求输入光束和输出光束平行。从3D效果图中我们能够清晰的看到输入光线和输出光线的位置情况，利用ZEMAX光学软件模拟系统具体的光路图配置，并进行像差优化处理，结果表明，此系统像质优良，结构紧凑，系统满足设计要求。
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期刊名称：光学仪器
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主管单位：中国科学技术协会
主办单位：中国仪器仪表协会上海光学仪器研究所
出版地方：上海
专业分类：工业
国际刊号：1005-5630
国内刊号：31-1504/TH
创刊时间：1979年
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2020-02-07
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