扩束准直光学系统中光学元件失调对高斯光束传输变换的影响分析

基于广义惠更斯-菲涅尔衍射积分公式, 以高斯光束为激光束模型,推导了激光光束通过失调扩束准直光学系统的传输公式,分析了光学元件失调对扩束准直光学系统输出光束传输特性的影响,并在此基础上进行了仿真。实验结果表明,高斯光束通过失调扩束准直光学系统时,出射光束变为偏心高斯光束,光学元件失调程度越大,输出光束越偏离光轴,光束质量越差。在同样的失调下,长焦距光学元件对输出光束影响更大,因此在激光扩束准直光学系统中,调整长焦距光学元件更为重要。     

变斑变焦激光切割光学系统的设计

为了满足不同材料、不同厚度板材加工的需求,设计了一种光斑大小和焦点位置可变的激光切割光学系统,该变斑变焦激光切割光学系统由复合准直镜组、变焦镜组、补偿镜组和聚焦镜组组成;采用在普通光学聚焦系统的准直镜组与聚焦镜组中间放置可调倍率扩束系统,再将准直镜组和可调倍率扩束系统合并成一个复合准直镜组的方案,简化了系统设计;建立了四镜组可变斑变焦光学系统的物理模型,推导了各镜组之间的移动规律,并利用MATLAB软件进行理论验证;在现有切割光学系统的基础上,设计一种变斑变焦激光切割光学系统,并利用软件优化像差。结果表明:通过移动变焦镜组和补偿镜组,得到了放大倍率为1.000～3.750、焦点上下可调范围为-20～+10 mm的焦斑,实现了焦斑大小和焦点位置的精准可调。     

激光变倍准直扩束系统设计

激光准直扩束系统可应用在激光测距,激光切割,空间光学激光干涉仪等各个领域。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。基于无焦变倍原理运用Zemax软件模拟设计了一激光准直扩束系统,入射激光波长为1064 nm,发散角小于5 mrad,入射直径为1 mm,准直扩束系统的扩束比4~24倍连续可调,可实现压缩光束的发散角(出射光发散角可压缩至0.208 mrad),扩大光斑尺寸,达到对激光准直和扩束的目的。不同倍率下波像差最大均方根(RMS)值为0.1769λ,均小于λ/4,满足像质评价要求。此设计结构简单,易于加工装调,具有较高的实际应用价值。     

高斯光束照射下的Vander Lugt相关器的特性研究

针对特定目标图像,定量分析了在Vander Lugt相关器中照明光束为高斯光束时输出相关峰值随高斯光束特性参量的变化情况。结果表明,输出相关峰值随高斯光束腰斑半径的减小和输入场景中目标位置偏离高斯光束中心距离的增加而减小。为了得到高的输出相关峰值,由扩束准直光学系统输出的高斯光束腰斑半径应满足一定的要求。     

集成化光束质量测试系统

集成化光束质量测试系统的探头包括卡塞格仑扩束器、准直镜、分光元件、自准直光源扩束器、671μm激光器、分束元件，集成化光束质量测试系统的结构见图1。采集处理系统包含CCD探测器和采集卡、处理软件。由于采集系统的探测器为模拟相机，由探测器输出的复合视频信号经采集卡进行A／D转换，送入计算机，由采集软件对光班图像进行处理，获取远场光班的数据。再利用输入光束的参数和光学系统的参数即可得到被测光束的光束质量。     

适用于高精度激光测距的光学系统设计北大核心CSCD

随着激光雷达技术的发展和测距精度需求的提高,对发射和接收光学系统提出了新的要求,需具有光束可调节、测量光斑小、回波效率高等特性。设计一种工作于1550 nm光通信波段的收发一体光学系统,发射与接收模块共用部分光路,以减小接收视野盲区,同时有利于结构小型化。为解决不同测量距离、不同表面倾角造成的回波能量差异问题,将光学系统的扩束组件设计成放大倍率为2×~3.5×的连续可调结构;使用两组双胶合透镜进行色差校正,以降低光谱宽度对系统传播距离的影响。经设计优化,系统准直后的激光发散角小于0.3 mrad,出射光斑直径在6.26 mm~10.20 mm连续可调,对于50 m内的测量目标,照射光斑直径均小于20 mm,且在不同变焦位置发散角和光斑直径均满足设计要求。     

高能光纤激光经准直系统后的光束质量研究

应用光线光学的理论,对透镜的几何像差、热非线性等因素对光纤激光光束质量的影响进行了分析和计算,给出了激光通过多透镜光学系统后,光束质量参数M²与系统参数的一般关系. 研究了高能光纤激光通过准直系统后的光束质量. 研究结果表明,随着激光功率的增大,经准直系统后光束的光束质量存在最佳值,其对应的激光功率与准直系统参数有关,为高能光纤激光准直系统的设计提供了参考. 关键词： 高能光纤激光 光束质量 准直系统 光线光学     

超短脉冲激光瞄准装置光学系统设计

为了提高超短脉冲激光的瞄准精度,基于自准直原理提出瞄准装置光学系统。以670 nm光纤耦合激光器为光源,设计指示光准直、扩束光学系统,准直光的不平行度达到3.2,设计焦距为350 mm,相对孔径1/5,离轴量50 mm的主激光离轴抛物面镜,其成像质量达到衍射极限,基于准直束光学系统和离轴抛物面镜,设计可适应670 nm和800 nm两种波长的20和100的瞄准和监测成像光学系统。提出一种小孔准直的安装调试方法,以指示光进行实验验证,结果表明:设计的光学系统成像光斑均匀,其物方分辨率达到4.1 m。     

基于反射体布拉格光栅谱组束的设计

 针对反射体布拉格光栅谱组束中缺乏精密控制仪器的实验条件,采用透镜作为光束入射角和准直控制器件,设计了一种结构简单的谱组束系统。基于衍射效率方程,得到了光栅最佳设计参数;基于像差理论,得到了透镜最佳设计参数。针对该设计系统,对影响组束效果的因素进行了分析,并对组束效果进行了预测。结果表明：当激光束的谱宽小于1.5 nm时,设计系统的组束效率能超过90%;而当光束的谱宽达到2.1 nm时,设计系统也能获得超过88.7%的组束效率。     

基于铒玻璃激光器的激光射击光学系统设计

为真实模拟实弹射击场景,降低军事射击训练成本,设计了一种基于铒玻璃激光器的激光射击光学系统。该系统采用两级激光扩束,将铒玻璃激光器出射光束发散角二次压缩,实现极小发散角光束出射,提升了激光射击过程的人眼安全性。铒玻璃激光器出射光束发散角为15 mrad,出射光斑直径0.3 mm,激光扩束倍率300倍,系统出射光束发散角达0.035mrad。距光学系统出光口1 km位置,激光光斑直径约为120 mm,可满足千米射击训练要求,突破了常规激光射击系统百米量级的作用距离限制。设计的光学系统总长度为364mm,结构简单,利于工程化,应用前景广阔。     

半导体激光器远轴光束的准直特性研究

对半导体激光器光束准直场的研究具有重要的意义,半导体激光器的远轴模型能精确描述其发出的光束。根据瑞利索末菲衍射公式,利用稳相法得出了半导体激光器远轴光束经过透镜准直后的场分布解析表达式。根据该表达式可以得出如下结论:准直后光束在两个方向上的光斑大小与透镜焦距成正比,且与传输距离无关,沿轴光强与波导尺寸参量和准直透镜焦距有关,且与透镜焦距成平方反比关系,在传输距离较短的情况下,准直光场相位分布近似为球面,传输距离较长时,光场相位近似为平面.这些结论在工程应用中具有重要的价值。     

漂移量反馈控制式激光准直方法

提出一种集光纤准直与光束漂移量反馈控制准直技术于一体的激光光束准直方法 ,它是在单模光纤对激光器出射光束漂移量进行初级准直的基础上 ,进一步对光束的漂移量进行反馈控制 ,进而提高出射光束的方向稳定性。准直系统中利用漂移量分离光路和光电检测系统对光束的平漂量和角漂量进行了分离检测 ,并各自构成相应的光束空间平漂量反馈控制系统和光束空间角漂量反馈控制系统 ,减小了平漂量和角漂量反馈控制中的相互耦合。引入单模光纤使激光器与光束漂移量反馈控制准直系统相隔离 ,减小了激光管热源温度变化等因素对准直系统的影响 ,同时还便于准直系统使用中的安装布置。上述方法的应用 ,提高了准直精度及准直效率。实验表明目前该方法准直精度可达 0 .7× 10 -7rad。     

基于简单透镜列阵的可调焦激光均匀辐照光学系统研究

本文对基于简单透镜列阵的大口径激光均匀辐照光学系统的调焦能力进行了研究, 结果表明, 改变透镜列阵与靶镜之间的距离即可方便地改变靶面上光斑的大小. 文中详细分析了相关参数对调焦能力的影响, 并在此基础上设计出一个实用的光学系统. 用数值方法模拟了激光束通过光学系统后的传输, 发现尺寸不同的靶面光斑具有基本一致的强度结构特征. 定量地分析了光斑内部散斑间隔、调制对比度、顶部不均匀度及能量集中度等描述光斑均匀辐照质量的指标, 并研究了它们随靶面离焦量的变化关系.     

Optimum design of aspheric collimation lenses for optical antenna system

Three kinds of aspheric collimation lenses for optical antenna have been design by optimization. The aspheric cylinder collimation lenses with aspheric surfaces (such as elliptic, hyperbolic and parabolic marginal profiles) have been researched for the semiconductor laser beam with the characteristic of dot emitting source. Based on genetic algorithm and the optimization toolbox of MTLAB, the divergence angle has been optimized. The collimation divergence angle is less than 115 μrad has been measured by laser beam analyzer. This optimum design laser beam collimation lenses as a pre-collimation system can be used for optical antenna system. And it can be widely used in modern space laser communication.     

一种全方位激光束检测仪

基于单平板的两种旋转特性（绕表面中心法及绕入射光束光轴旋转）作者提出了一种任意剪切方向的全方位剪切干涉仪，这不仅对于旋转对称发光，尤其对于非旋转对称激光束的定量检测具有十分重要的应用价值，文中描述了该仪器原理，参数及应用实例。     

衍射极限非球面准直透镜

介绍了一种新的非球面透镜设计方法。通过非球面方程中二次曲面常数和非球面系数对光学系统像差的贡献来设计非球面透镜,并详细分析了非球面设计过程。设计了数值孔径NA=0.37, 纤芯Φ=600μm的大光束光纤耦合半导体激光器的非球面准直透镜,其焦距f=50mm。从像质评定可以看出, 非球面准直镜几乎接近衍射极限, 整个系统的波像差小于0.3λ。实验表明： 采用非球面准直系统能最大限度地利用光能率和提高光束准直性, 证明了设计方法基本正确。     

一种新型投影曝光调焦方法

为研究大面积激光投影光刻的调焦,利用Zemax光学设计软件模拟离焦对光程差（OPD）和调制传递函数（MTF）的影响,分析二者对投影曝光图形质量的影响,给出系统最大的离焦量值。提出一种利用显微镜的调焦方法,分析此方法的调焦误差主要来自于显微镜景深,根据景深表达式和系统最大离焦量值,选择一款景深不大于系统最大离焦量的显微镜来构建调焦系统,并基于该调焦系统进行光刻实验。实验结果表明:利用该方法对投影成像光刻进行调焦,无论是否离焦,边缘视场与中心视场的MTF均有差异,分辨率也有差异,但这种差异不影响光刻图形的质量。     

高功率高效率光纤耦合半导体激光模块研制

采用光束整形和空间合束的方法,研制出高功率、高效率多阵列光纤耦合半导体激光模块。将波长为976nm连续工作的5个标准半导体阵列,通过对快轴进行准直和快慢轴光束旋转的方式进行光束整形,准直后进行空间合束,经耦合透镜聚焦,耦合入芯径400μm、数值孔径0.22的光纤。测量结果显示:光纤的出光功率最大可达到327 W,光纤耦合效率大于93.6%。