摘 要

激光扩束系统的发展越来越成熟，由于激光具有单色性、方向性好的绝对优势，激光被运用到激光雷达、激光测距等较为精密的光学测量作业中。高斯光束具有窄的束腰，即激光发出的光束很窄，但是通常的激光测距系统需要较大的光束，因此需要对激光进行扩束。有时候为了满足不同范围的测量需要，还要求激光扩束器连续可调。
本文根据红外线变焦扩束器近十年的发展背景，研究激光变焦理论、分析目前使用到的几种激光扩束镜，给出一般激光扩束镜的结构和参数，利用光学设计软件ZEMAX设计出一个连续变焦激光扩束系统。
研究发现折射式扩束系统中，三元组都采用凸透镜，强脉冲的激光通过，过度聚焦会导致光腰太小，产生空气击穿而损伤光学元件。若固定组采用负透镜，公共焦点为虚焦点，可以避免空气击穿现象，同时工作距离也会缩短，因此本文采用的是类似伽利略式的扩束系统进行设计。
本文的特色在于：采用折射式扩束系统，变焦组和固定组均采用标准透镜，补偿组使用高次非球面镜，利用MATLAB软件仿真变焦组与补偿组的运动轨迹，通过ZEMAX光学仿真软件仿真出了具有较高成像质量的变焦扩束系统。该系统从设计、加工和装调上都比较简单，可以被广泛的应用。

关键词：激光扩束；变焦；光学设计；

Abstract

The development of laser beam expander system is more and more mature, because the laser has a monochrome, good direction of the absolute advantage, the laser is applied to the laser radar, laser ranging and other more accurate optical measurement operations. The Gaussian beam has a narrow waist, that is, the beam emitted by the laser is very narrow, but the usual laser ranging system requires a larger beam, so the need for laser beam expansion. Sometimes in order to meet the needs of different ranges of measurement, but also requires laser beam expander continuously adjustable.

 Based on the development background of infrared zoom beam expander for nearly ten years, this paper studies the laser zoom theory, analyzes several kinds of laser beam expanders currently used, gives the structure and parameters of general laser beam expander, and uses optical design software ZEMAX to design A continuous zoom laser beam expander system.

    It is found that in the refraction system, the triples use convex lenses, and the intense pulsed laser passes, and over-focusing causes the light waist to be too small to produce air breakdown and damage the optical element. If the fixed group with negative lens, the public focus for the virtual focus, you can avoid the phenomenon of air breakdown, while the working distance will be shortened, so this paper is similar to the Galileo-type expansion of the system design.

    The characteristics and innovations of this paper are as follows: the use of refraction type expansion system, zoom group and fixed group are used standard lens, compensation group using high-order aspheric mirror, using MATLAB software simulation zoom group and compensation group trajectory, through ZEMAX optical simulation software Simulation of the zoom beam with a higher image quality expansion system. The system from the design, processing and installation are relatively simple, can be widely used.

Key words: Laser beam expansion; zoom; optical design;

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 光学设计概述 1

1.2 激光扩束系统的研究现状 1

1.3 目的及意义 8

1.4 主要内容及章节安排 9

第2章 激光变焦扩束系统基本原理 10

2.1 激光准直扩束的原理 10

2.1.1 高斯光束的特性 10

2.1.2 激光束准直扩束的原理 10

2.2 变焦距理论 11

2.2.1 变焦距系统的特点及其分类 12

2.3 折射式扩束镜的基本结构 13

2.3.1 开普勒式扩束镜 14

2.3.2 伽利略式扩束镜 15

2.4 常用反射式扩束系统结构 16

第3章 变焦扩束系统的结构分析与设计仿真 19

3.1 系统方案设计 19

3.1.1 折射型扩束系统的结构分析 19

3.1.2 系统外形结构参数 21

3.1.3 变焦分析 21

3.2 设计过程 23

3.2.1 选用的初始光学系统及其光学特性评价 23

3.2.2 设定入瞳直径 24

3.2.3 设定波长 25

3.2.4 设定视场角 25

3.2.5 设定公差 25

3.3 设计结果 26

3.3.1 系统的Lens Data Editor数据 26

3.3.2 系统的3DLayout图 27

3.3.3 系统的FFT MTF图 28

3.3.4 系统的FFT PSF图 30

3.3.5 系统的Field Curv/Dist图 31

3.3.6 系统的Grid DiSTOrtion图 31

3.3.7 系统的Spot Diagram图 33

3.3.8 系统的Ray Fan图 34

3.3.9 系统的OPD Fan图 35

3.3.10 系统的Wavefront Map图 36

第4章 结论 37

参考文献 38

致 谢 40

附 录 41

第1章 绪论

激光具有良好的方向性和单色性，在激光测距系统中发挥着举足轻重的作用，相比于其他诸如电涡流测距、拉绳和电感式位移测距的测距方法，激光测距有着方向性好、测量精度高、抗干扰能力强等优势^[1]。虽然从激光器发出的激光有着良好的准直特性，但是在精密的军事测量作业中，需要进一步地提高激光光束的准直特性，以保证扩大激光发射系统的工作距离。激光扩束系统是激光测距系统中的重要组成部分，为了将激光光束最大限度地传输到尽可能远的目标上，需要有较小的发散角和较大光束口径^[2]，由此激光扩束显得非常重要。以往的激光扩束系统，一般采用固定焦距的形式，因此扩束比固定不变。为了扩大使用范围，满足不同测量的需要，应采用激光连续可调的光学系统，在一定范围内使扩束比连续可调^[3]。

1.1 光学设计概述

光学设计是基于使用光学仪器提出的满足要求的数据参数的系统要求，即确定光学系统的光组结构，尺寸和性能参数。现在，为了设计一个光学仪器的光学系统，它可以大致分为两个阶段^[4]：第一阶段是根据仪器的总体设计要求(性能，形状，重量和相关的技术条件)，从整体(光学，机械，电路和计算技术)，开发光学系统原理图，以及系统尺寸的初步计算，以及系统各部分所需的光学性能等，被称为初步设计或尺寸计算;第二阶段是根据初步设计结果，确定每个透镜组的具体参数(半径，厚度，间距，玻璃材料)，以确保满足系统的光学性能和图像质量要求，称为像差设计^[5]，一般称为光学设计。这两个阶段都是不同的和联系在一起的，在初始设计中，预期相位差可以实现，而系统的一般结构;另一方面，当像差设计无法实现时，或者结构太复杂，不要修改初步设计。初始设计是关键，如果初始设计不合理，严重可能会使仪器根本无法完成工作，这对于第二阶段的像差设计工作困难，导致系统结构太复杂，或者图像质量差^[6]。当然，在初步设计合理的条件下，如果设计不当造成的差异，同样也可能造成上述不利后果。光学系统设计的评估是好还是坏，一方面取决于其性能和图像质量，另一方面取决于系统的复杂性，良好的设计应符合下列要求(光学性能，图像质量)结构尽可能的简单^[7]。

1.2 激光扩束系统的研究现状

激光扩束器系统是许多仪器和设备的重要组成部分，如激光干涉仪，激光测距仪和激光雷达。光学系统采用倒置式伸缩系统来扩大激光束，其重要作用是压缩激光束的空间发散角，使扩束后的光束满足其他测量系统的要求^[8]。

激光束扩展器的主要功能是压缩激光器的空间发射角度并扩大激光束，使激光束扩径后的直径满足其他系统的要求，同时由于高单色激光和准直的优点^[9]，激光扩束器也常常用于光谱成像系统的光谱校准。在折射型光束扩束器中，除了空间滤波必须使用开普勒望远镜，一般使用伽利略望远镜^[10]，这种结构不仅可以减小尺寸，而且在强光激光束的情况下，由于目镜为负，使光束发散。可以避免由目镜会聚造成的空气击穿现象^[11]，造成镜头损坏。