一種激光連續(xù)變倍準直擴束系統(tǒng)的設(shè)計

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(福建師范大學(xué) 光電與信息工程學(xué)院 醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室, 福建 福州 350007)

引 言

由于激光具有高亮度、單色性好和方向性好等特點[1],激光擴束準直系統(tǒng)在通信技術(shù)、激光掃描、切割、測量距離等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。在實際應(yīng)用或?qū)嶒炦^程中,通常需要用到口徑不一的準直激光光束,尤其是在實驗操作過程中,每更換一個實驗元件都需要重新調(diào)節(jié)整個光路,不利于實驗操作,因此設(shè)計一個連續(xù)變倍的激光擴束系統(tǒng)是非常有必要的。目前激光擴束方法使用較為廣泛的有兩大類[2-4]。第一類是選用反射系統(tǒng),此類系統(tǒng)選用大口徑的反射鏡面來擴大激光光束,常見的系統(tǒng)有格里高利系統(tǒng)和卡塞格林系統(tǒng)。由于此類系統(tǒng)通常采用非球面鏡片,并且是固定的擴束比,通常是單獨設(shè)計某一類口徑的光束,而且非球面在實際生產(chǎn)中存在較高的成本以及難度。所以此類系統(tǒng)適合大倍率擴束的應(yīng)用。第二類是選用透射式系統(tǒng),此類系統(tǒng)是由兩個或兩個以上的透鏡組成。常見的系統(tǒng)有開普勒系統(tǒng)和伽利略系統(tǒng),由于此類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,實際應(yīng)用價值較高,所以具有小變倍比需求的系統(tǒng)可采用第二類方法。本文采用沒有內(nèi)部焦點的倒置的伽利略式望遠鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計一個無焦變倍的激光擴束準直系統(tǒng),選用透射式變焦系統(tǒng)實現(xiàn)一級低倍放大,擴束比范圍為5～25,系統(tǒng)只有4片透鏡,結(jié)構(gòu)簡單,后期樣機易于裝調(diào),實際生產(chǎn)應(yīng)用價值高。

隨著激光變焦擴束系統(tǒng)研究的發(fā)展,近些年來國內(nèi)外已經(jīng)研發(fā)了一系列相對成熟的系統(tǒng)。同濟大學(xué)研制的一款Φ300HTM激光擴束器,是具有大口徑、高倍率特點的哈特曼擴束器。該系統(tǒng)總長950 mm,通光口徑為Φ300 mm,擴束比為30×;武漢巍騰科技有限公司研發(fā)的VIS-NIR 56C-30系列的電動變焦激光擴束鏡可實現(xiàn)1×～4×或2×～8×的連續(xù)變焦,系統(tǒng)像差小于λ/4;CVIMG公司研發(fā)的LBV系列激光變焦擴束系統(tǒng),可實現(xiàn)2.5×～10×的變倍比,系統(tǒng)像差小于λ/10[5]。

1 擴束系統(tǒng)設(shè)計原理與設(shè)計

1.1 低倍率擴束系統(tǒng)設(shè)計原理

激光光束是由激光共振腔尺寸和幾何形狀決定的高斯光束,光束呈雙曲線狀,其方向性與透鏡焦距、入射光光束的束腰有關(guān)[6]。束腰越小,高斯光束的方向性越好。激光光束經(jīng)過透鏡系統(tǒng)的變換矩陣為[7-10]

(1)

圖1 激光通過擴束望遠鏡的傳輸Fig.1 Transmission through the laser beam expanding telescope

對于調(diào)焦系統(tǒng)(Δ=0),有

遠場發(fā)散角θ0與束腰ω0間呈反比關(guān)系時,

(4)

(5)

(6)

當s?f1+f2時

(7)

在透鏡L1的焦面上將得到一個極小光斑

(8)

式中:ω(l)表示高斯光束半徑。

由上可知該望遠鏡系統(tǒng)的準直倍率為

(9)

根據(jù)以上公式可得出望遠系統(tǒng)對高斯光束的準直倍率為

(10)

因此系統(tǒng)的準直倍率M′越大,其擴束準直性就越好。

1.2 激光擴束系統(tǒng)的設(shè)計

1.2.1結(jié)構(gòu)的選擇

激光變焦擴束系統(tǒng)的波長是單一的,考慮到系統(tǒng)激光能量很強,故系統(tǒng)選擇沒有內(nèi)部焦點的倒置的伽利略式望遠鏡結(jié)構(gòu),且該結(jié)構(gòu)簡單,筒長較短,適用于低倍率擴束。伽利略擴束系統(tǒng)如圖2所示,結(jié)構(gòu)的前組為發(fā)散鏡組,后組為會聚鏡組,前后兩組的焦點重合。

為使系統(tǒng)能夠自由調(diào)節(jié)5～25倍的放大倍率,在前組和后組之間添加變倍組以實現(xiàn)放大倍率的調(diào)節(jié),添加變倍組后的初始結(jié)構(gòu)如圖3所示。調(diào)節(jié)變倍組與前組距離間距1和變倍組與后組距離間距2即可實現(xiàn)放大倍率的調(diào)節(jié)。

圖2 伽利略望遠鏡系統(tǒng)Fig.2 Galileo telescope system

圖3 無焦擴束系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)Fig.3 Initial structure of focus-free beam expanding system

1.2.2優(yōu)化設(shè)計

使用Zemax軟件建立上述變倍擴束系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)[11-12],不同的組態(tài)擴束比值不同,所以添加了5組多重結(jié)構(gòu)(間距1和間距2為多重結(jié)構(gòu)改變量),優(yōu)化函數(shù)分別設(shè)置5組多重結(jié)構(gòu)的放大倍率為5×、10×、15×、20×、25×,通過對Zemax的REAY優(yōu)化函數(shù)設(shè)計,對光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡的曲率半徑和間距進行優(yōu)化,REAY操作數(shù)指定邊緣孔徑的邊緣光線在像面上的高度,該高度實際上就是光束的半孔徑,設(shè)置5個多重結(jié)構(gòu),優(yōu)化函數(shù)分別優(yōu)化5個多重結(jié)構(gòu)的半孔徑為2.5、5、7.5、10、12.5。

為了達到擴束比5×～25×的連續(xù)變倍設(shè)計要求,需要對系統(tǒng)的可變參數(shù)進行反復(fù)優(yōu)化,如透鏡的曲率半徑和組元之間的空氣間隔,在優(yōu)化中發(fā)現(xiàn),該結(jié)構(gòu)大變倍比像質(zhì)不好,在變倍組中添加一片透鏡,則該系統(tǒng)為無焦擴束變倍系統(tǒng),如圖4所示,當移動第二組時,產(chǎn)生焦距的變化,這時用第三組補償,當最后一組的物點與中間組的像點重合時,系統(tǒng)就是一個無焦的系統(tǒng),而且光束口徑會隨著透鏡的移動而改變[13]。

圖4 無焦擴束變倍系統(tǒng)Fig.4 Focus-free multiplication-varying beam expanding system

重新優(yōu)化,結(jié)果達到系統(tǒng)使用要求。圖5所示為優(yōu)化設(shè)計結(jié)果,圖5由上到下分別是放大倍率25×、20×、15×、10×、5×?xí)r的結(jié)果。

圖5 優(yōu)化設(shè)計結(jié)果Fig.5 Results of the optimization

1.2.3像質(zhì)評價

優(yōu)化結(jié)果是否達到設(shè)計要求要通過一些像質(zhì)評價方法來評定[14],例如星點圖、調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)曲線和波像差等。由于激光的連續(xù)變倍擴束系統(tǒng)是小像差系統(tǒng),通常選用波像差對系統(tǒng)的成像質(zhì)量進行評價,各倍率的波像差如圖6所示。

波像差就是系統(tǒng)設(shè)計完成后的實際波面與理想波面之間的偏差,光學(xué)系統(tǒng)的波像差愈小,說明該系統(tǒng)成像質(zhì)量愈好。圖6所示分別為5×、10×、15×、20×、25×?xí)r的系統(tǒng)波像差,可以看到,波像差最大均方根值均小于λ/40,達到干涉儀擴束系統(tǒng)的要求。對于激光干涉儀而言,很多激光擴束準直系統(tǒng)設(shè)計的波像差評價值都在λ/10至λ/40之間,考慮到實際加工裝配過程中誤差會導(dǎo)致成品鏡頭的波像差比設(shè)計值大很多,所以本文設(shè)計的激光擴束準直系統(tǒng)的波像差達到λ/80,達到干涉儀的要求。

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

透鏡直徑/mm正透鏡的邊緣最小厚度/mm負透鏡的中心最小厚度/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 激光擴束系統(tǒng)的工藝分析

該設(shè)計的激光擴束準直系統(tǒng)除了可以設(shè)計出滿足成像質(zhì)量要求的光學(xué)系統(tǒng)以外,還需要考慮設(shè)計的系統(tǒng)可以通過合理的現(xiàn)代工藝進行加工生產(chǎn),這也是課題后續(xù)實驗研究的重要內(nèi)容,所以要對設(shè)計的激光連續(xù)變倍擴束準直系統(tǒng)進行工藝分析。

在加工和安裝過程中對光學(xué)零件的強度和剛性都有一定的要求,一般而言,正透鏡的中心厚度較邊緣厚度小,所以對其邊緣厚度有一定的要求,而負透鏡是邊緣厚度較小,則要考慮其中心厚度不能太小[14]。表1所示為不同直徑情況下的正透鏡最小邊緣厚度和負透鏡的最小中心厚度。

將設(shè)計好的連續(xù)變倍激光擴束準直系統(tǒng)的光學(xué)鏡片參數(shù)表對應(yīng)的參數(shù)與表1進行一一比對,正透鏡的邊緣最小厚度和負透鏡的中心最小厚度都能達到加工的工藝要求,因此該設(shè)計符合加工的工藝要求,具有實際加工使用價值。而且該設(shè)計只采用了一種玻璃(H-ZF6)達到校正球差的目的,滿足干涉儀波像差像質(zhì)要求,節(jié)約了生產(chǎn)成本,設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單,具有良好的實際應(yīng)用價值。

3 結(jié) 論

本文采用沒有內(nèi)部焦點的倒置伽利略式望遠鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計了一個無焦變倍的激光擴束準直系統(tǒng),選用透射式變焦系統(tǒng)實現(xiàn)一級低倍放大,實現(xiàn)光束口徑大小連續(xù)變化,整個系統(tǒng)只用4片透鏡組成,擴束比范圍為5×～25×。對設(shè)計系統(tǒng)進行波像差分析,波像差最大均方根值均小于λ/40,滿足干涉儀擴束系統(tǒng)的設(shè)計要求。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,設(shè)計符合加工的工藝要求,在實際激光準直系統(tǒng)、短距傳輸?shù)确矫婢哂袘?yīng)用價值。

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