多波段高功率激光扩束系统设计

 对透射式和反射式扩束系统应用于高功率激光扩束的优缺点进行了对比研究。采用次镜为凸抛物面,主镜为凹抛物面的无焦卡塞格林系统,运用ZEMAX光学设计软件,按激光扩束系统的扩束倍率和系统的波像差要求,设计出多波段高功率激光扩束系统。对用于高功率激光反射镜的基底材料进行分析,选用无氧铜作为基底材料;采用金增强的膜系设计,膜系从近红外到远红外宽光谱波段激光的反射率均在98%以上。面形精度均方根值优于λ/40(λ=0.632 8 μm)的平面镜作为基准镜,采用光学干涉方法对设计的激光扩束系统进行检测实验,结果表明：该扩束系统的扩束倍率为3.53,波像差为0.206λ,满足多波段高功率激光光束发射要求。     

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。     

反射式激光扩束器的切换变倍技术

反射式扩束常用于大功率的激光发射装置,但在离轴状态下,仅仅控制多组镜片之间的相对距离并不能像透射式扩束一样顺利实现变倍。从扩束望远镜系统的失调状态得到启发,提出一种两片次镜切换变倍的光学方案,针对一束CO2激光器发出的直径为54mm的激光束,完成了离轴工作时1.5倍和3.0倍两个档位的扩束光学设计。仿真结果证明了扩束功能的正确性,而且与主次镜相同曲率半径下同轴使用的失调望远镜系统的调制传递函数(MTF)曲线基本吻合,对离焦量进行补偿之后的成像效果能够达到衍射极限。     

Φ0300激光扩束器光学系统设计

从三级像差理论出发,分析伽里略(Galilean)和开卜勒(Keplerian)两种类型扩束器的轴外像差没有得到很好校正的原因·通过合理的光路分析,设计出一种轴上和轴外像差都得到很好校正、大口径大相对孔径、视场可增大的、光学性能优于伽里略和开卜勒扩束器的新型扩束器·并给出了物镜通光口径为300mm、物镜焦距为800mm、视场为4mrad、放大倍率为30倍、主工作波长为0.6328μm的非球面扩束器光学系统结构参量,且进行了像质评价·调整此扩束器目镜组中各镜片的间隔以及物镜和目镜的间隔可以使该扩束器在三个波长使用·     

Φ0300激光扩束器光学系统设计

从三级像差理论出发，分析伽里略（Galilean）和开卜勒（Keplerian）两种类型扩束器的轴外像差没有得到很好校正的原因.通过合理的光路分析，设计出一种轴上和轴外像差都得到很好校正、大口径大相对孔径、视场可增大的、光学性能优于伽里略和开卜勒扩束器的新型扩束器.并给出了物镜通光口径为300 mm、物镜焦距为800 mm、视场为4 mrad、放大倍率为30倍、主工作波长为0.6328 μm的非球面扩束器光学系统结构参量，且进行了像质评价.调整此扩束器目镜组中各镜片的间隔以及物镜和目镜的间隔可以使该扩束器在三个波长使用.     

大视场反射式激光扩束系统光学设计

激光扫描捕获系统通过对激光光源进行扩束变换,压缩光源的发散角度,可减少在远距离传输中的能量损失。为满足某通信实验需要,设计一种放大倍率为10倍,光源扫描视场为4840的小型扩束系统。系统要求在1 550 nm、1 064 nm、800 nm和632.8 nm激光波段,全视场范围内波像差RMS不大于0.1（=632.8 nm）,且无中心遮拦。通过计算初始结构参数,利用Zemax软件优化,采用4片反射式非球面进行设计,全系统体积约为9010060 mm3,波像差最大为0.095,满足系统尺寸和像质要求,整个系统光能透过率约为92%,满足透过率大于85%的设计要求。     

激光合束光学系统气体热效应影响分析

为了分析激光合束光学系统的成像质量,本文研究了激光合束光学系统的热耦合效应。借助光学设计软件建立激光合束系统模型,基于传热学理论,根据光学系统结构及流场条件参数建立气体流体模型。根据光线追迹法编写用户自定义函数,通过数值模拟定量研究了介质气体热效应引起的波像差系数。仿真分析了气体热效应在不同时间下对激光合束光学系统的影响。结果表明,受重力影响激光合束系统热效应的旋转对称性变得不再明显,随着温度升高呈现分层变化,且非均匀热效应以低阶像差为主。将波像差系数导入光学设计软件,可实现复杂光场与热场耦合传函的定量分析,波像差劣化0.3λ,传递函数下降0.1。     

用于高能激光系统的共孔径光学装置设计

高能激光系统的主要工作方式是利用其精跟踪模块将发射激光传输聚焦至闭环跟踪条件下的目标上,使之受到毁伤或失效。为实现该工作方式,本文研究设计了一套共孔径光学收发装置。该装置的发射系统主要由离轴两反式主望远镜模块、伽利略透射式调焦望远镜模块和光束馈送模块共同组成二级扩束系统,接收系统主要由离轴两反式主望远镜模块、精跟踪成像模块和光束馈送模块共同组成长焦距光学系统,其中光束馈送模块由二向色镜、快速反射镜等光学元件组成。以非相干空间合束的基模高斯光作为激光光源,利用光学设计软件对该装置进行了优化设计。对于发射系统,获得了激光经过调焦望远镜模块不同的调焦量调制后,传输至0.5~5 km处的光斑分布情况,且激光波前像差RMS值均优于λ/20;对于接收系统,由各模块一同构成的成像光学系统的性能经优化后接近衍射极限,其中系统传递函数在70 lp/mm时大于0.6,最后通过样机实验也验证了设计的正确性。本文的设计和实验结果证实了该共孔径光学收发装置结构合理,性能可靠,满足高能激光系统的工程应用需求。     

激光变焦扩束光学系统设计

主要介绍了激光变焦扩束系统的设计方法。以高斯光束的准直原理为基础,采用一个倒置的望远系统建立系统物理模型和微分方程,分析得到系统中变倍补偿组件的运动轨迹。然后以二组元变焦系统为例,在理想光学系统的基本目标参数上加入具体的光学参数,并利用软件优化校正像差,设计得到了一种结构紧凑,光束准直性好且成本较为低廉的变焦扩束光学系统。     

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。     

Zemax软件在取样光栅对设计中的应用

 光束取样光栅(BSG)是一种重要的用于光束取样诊断的衍射光学元件。以2块取样光栅代替单块光栅作为初始光学结构,运用Zemax光学设计软件采用分步优化的方法设计了具有消像差功能的光栅对结构,此方法比采用Matlab语言编程计算的方法消像差更快捷、更灵活,同时可以验证程序计算结果的正确性。设计结果显示：再现的会聚光经2块光栅衍射后在像平面上点列图中的均方根半径仅为0.506μm,单块取样光栅的均方根半径则为7.284μm,说明2块光栅能够做到像差互相矫正,其像质明显好于单块取样光栅。另外,设计出的双光栅光学系统,可进行远场光斑质量检测,为激光束性能的在线诊断提供了行之有效的技术支持。     

光束斜入射的折反射组合光学系统的像差计算

基于平面对称光栅反射镜系统的像差理论,根据光学元件材料折射率对成像光束波像差进行修正,将像差理论扩展到平面对称折射光学系统,使得该理论可应用于光束斜入射的折反射组合光学系统的像差计算;指出在折反射组合光学系统中考虑物像方空间折射率的关系,以及入射角方向的定义,使得波像差的计算表达式保持统一;应用扩展后的像差理论对折反射椭球镜面形检测光学系统进行像差分析计算,并与Zemax光线追迹结果进行对比,验证波像差理论的有效性。该像差理论为光束斜入射的折反射组合光学系统的设计、像质评价及优化提供了有效的分析手段。     

一种光栅型成像光谱仪光学系统设计

 成像光谱仪是一种“图谱合一”的光学遥感仪器。从光栅型成像光谱仪的使用要求出发,利用Zemax软件设计了一种光栅型成像光谱仪光学系统。其中,前置望远物镜采用反射式结构,传统的卡塞格林结构在主次镜均采用非球面时校正像差的能力依然有限,设计时采用改进后的卡塞格林结构对像差进行校正,最终设计的望远镜头传函在50 lp/mm处达到0.5,场曲控制在0.078以内,且不存在畸变。针对光谱成像系统通常采用的基于平面光栅的Czerny-Turner结构由于像差校正能力有限、成像质量较差不能满足仪器的使用要求。采用基于凸面光栅的光谱成像系统,该系统结构紧凑、可实现宽波段内像差的同时校正。最终设计的光谱成像系统光谱分辨率<5 nm,MTF在50 lp/mm时升至0.75。将前置望远物镜与光谱成像系统根据匹配原则进行组合优化后光栅型成像光谱仪系统点列图RMS半径随波长的变化均小于0.2,波长的80%的能量集中在Φ6 μm范围内,波长各视场在特征频率50 lp/mm处的光学传递函数均大于0.5。整个光学系统具有结构简单、像差校正能力强、结构尺寸较小的优点。     

Design of Plane-Symmetric Low <Emphasis Type="Italic">F</Emphasis>-number Reflective System Based on Perturbation Aberration Model

All-reflective optical systems have theoretically no chromatic aberration and are suitable for wide spectral application, but co-axial reflective systems are difficult to design as low F-number optical systems. In this paper, the aberration of plane-symmetric optical systems with low F-number is analyzed based on the wavefront derived from optical path length. Up to third-order aberrations are classified into three categories by their characteristics. The reduction method of the dominant aberration, astigmatism-like aberration, is proposed. In the method, the Gauss image plane is modeled by means of a simplified mirror surface with third-order approximation. Because the system is plane-symmetric, symmetric cross section and asymmetric cross section are modelled differently. The design example of a three-mirror system with F/2 is shown.     

泛卡塞格林光学系统的色差研究

泛卡塞格林光学系统结构简单、像质优良,广泛应用于空间光学领域中。从对研制完成的谱段位于500～800nm的泛卡塞格林光学镜头的调制传递函数(MTF)的测量结果出发,结合泛卡塞格林光学系统的结构特点,分析表明光学设计的色差来源于其高次施密特非球面镜,提出了一种利用非球面镜的最小色差条件来改进光学系统的新方法。通过三级像差理论,分析了施密特非球面镜的面形方程,计算出最小色差条件及相应的中性带高度,进行光学设计的优化改进,取得了良好的效果。结果表明,改进后光学系统的色差由原来的31.4μm减少为4.25μm,且光学系统的MTF值达到0.6以上(40lp/mm),像质优良。该方法为类似光学系统的设计提供了一定的参考价值。     

Focusing properties of an off-axis gaussian beam

Focusing properties of an off-axis gaussian beam passing through the optical system with primary spherical aberration are investigated. The position of focus and the structure of the intensity distribution near the focus in the image space are clarified for an off-axis gaussian beam as a function of its incident position over the pupil, its beam size, and the amount of primary spherical aberration in the optical system.     

基于Dyson同心系统的光线折叠式成像光谱仪优化设计

基于Dyson同心光学系统的凹面光栅成像光谱仪具有像差小、孔径高、结构简单紧凑的优点,同心结构要求光谱仪子系统的物面和像面必须重合为一个平面,且物点和像点之间距离非常小。现有的焦平面探测技术和装配技术难以满足理论设计要求。为了解决实际中物点和探测器的安置问题,对传统Dyson同心光谱仪光学系统进行了改进设计,通过在成像光束中引入离轴反射镜实现像面位置的转移。结果表明：改进后的光学系统由于成像光束发生折叠,物面和像面成功分离,且改进后系统的全波段像差得到更合理的分配。     

光学系统辅助装调技术研究

光学系统装调技术是高功率激光工程中的关键支撑技术之一。对光学系统装调中影响系统光束质量的误差来源进行了分析,并根据像差的装调方式进行了分类。对这两类像差的辅助装调方式进行了比较和仿真模拟。针对第一类像差,在装调模型中代入失调系统检测得到干涉图,利用计算机辅助装调模型计算出失调量的大小和方向,确定出系统的装调方案。仿真结果显示,对系统调整工作有较好指导作用。针对第二类像差,利用元件加工面形之间波像差的互补性,优化调整光学元件的装校姿态。仿真结果显示,系统的光束质量口由预期的4．916优化为1．187,提高了多元件光学系统的光束质量。     

红外耦合光学系统设计

红外目标模拟器由红外目标图像发生器和投影光学系统组成。该红外光学系统是一个要求与2个导引光学系统的光学技术参数相匹配的长焦距、大视场和具有像方远心光路的中红外光学系统。叙述用于红外目标模拟器的红外耦合光学系统的设计原理，提出它与导引光学系统一起可组成放大倍率M=4.5×的红外投影光学系统，并指出IR CRT产生的图像通过红外投影光学系统可成像在导引接收器上。针对给出的红外耦合光学系统的设计特点和技术要求，光学材料选取硅（Si） 锗（Ge） 硅（Si），采用简单的柯克三片式结构完成光学系统设计。设计评价结果表明，该系统的光学性能和成像质量均满足设计指标要求。