【word】 多波长透射式扩束器设计

【word】 多波长透射式扩束器设计 多波长透射式扩束器设计 第37卷第9期 2007年9月 激光与红外 IASER&INFRARED Vo1.37,No.9 September,2007 文章编号:1001-5078(2007)09-0818-03 多波长透射式扩束器设计 吴金才,陈结祥,张毅,戚俊,涂碧海,赵平建,王相京 (中国科学院安徽光学精密机械研究所,安徽合肥230031) 摘要:从像差理论出发,通过实例介绍了扩束器的具体设计过程,并给出了物镜通光口径为 200mm,焦距400mm,视场为2mrad,放大倍率为40倍和主工作波长为0.6328p,m的扩束器结 构参量,通过改变目镜与物镜间距还可以对波长0.532p,m和1.064p,m的激光进行同倍率的 扩束,在应用时不必重新设计扩束器或目镜系统即可以对这三种波长进行扩束,使用方便,也 节约成本. 关键词:光学设计;多波长激光扩束器;像差理论;非球面 中图分类号:0435.2文献标识码:B DesignofTransmittingBeamExpanderforDifferentWaves WUJin-cai,CHENJie-xiang,ZHANGYi,Q1Jun,TUBi-hai,ZHAOPing-jian,WANGXiang-jing (AnhuiInstiuteofOpticsandFineMechanics,Hefei230031,China) Abstract:Basedonaberrationtheory,thedesignmethodofbeamexpanderisdetailedthroughanexample.Abeamex— panderispresented:theentrancepupildiameterofitsobjectiveis200mm,focallengthis400mlTl,thefieldofviewis 2mrad,themagnituderatiois40andtheprimaryworkingwavelengthis0.6328~n.Theresultsofopticaldesignhave beenven.Whenthedistancesbetweentheobjectiveandeyepieceareadjustedreasonably,thebeamexpanderCanbe alsousedlaserwithwavelengthsof0.532p,mor1.064txmwiththesamemagnituderatio.ItisnousetOdesignnew beamexpandersystemsoreyepiecesystemsforthese3waves.ItCanbeusedeasilyandsavealotofcosts. Keywords:opticaldesign;laserbeamexpanderfordifferentwaves;aberrationtheory;asphericsurface 1引言 激光扩束器在激光雷达,激光测距与光通讯等 领域中有着十分广泛的应用.在激光发射系统中, 为了增大作用距离,就要提高发射系统的精度,利用 扩束器来压缩空间发散角即可,扩束器的倍率越高, 发射系统的精度也越高.由于扩束器的设计,加工 和装配所花费的成本较高,就有必要设计应用于多 波长的扩束器.本文设计出主波长为A:= 0.6328p,m,放大倍率厂=40,发散角Ot=2mrad,通光 口径为:200mm,相对口径:的扩束器,精 二 度达到轴外波像差优于,轴上波像差优于,改变 目镜和物镜间距即可对波长为A=0.532p,m和 A,=1.064p,m的激光进行同倍率扩束,精度也达到 同样要求. 2光学系统设计 考虑到减小扩束器的体积和质量,采用了伽里 略型扩束器,初始结构的确定按照主波长A= 0.63281a,rn来进行计算,整个设计过程包括物镜设 计,目镜设计以及目镜与扩束器设计,具体设计步骤 如下. 作者简介:吴金才(t983一),男,中国科学院安徽光学精密机械 研究所在读硕士研究生,主要从事光学设计与光学检验方面的工作. E?mail:wje609@sohu.corn 收稿日期:2007-03-02;修订日期:20074)4-02 激光与红外No.92007吴金才陈结祥张毅等多波长透射式扩束器设 计819 2.1物镜设计 由于系统的通光口径与相对口径都比较大,采 用球面光学系统是难以满足设计指标要求的,所以 本文采用非球面系统,另外再加上一个球面透镜构 成双透镜结构即可以满足物镜设计要求.设计方法 如下:采用等偏角的原则求解结构参数,为了加工方 便,对于非球面镜我们采用平凸镜的结构,系统在归 一 化的条件下满足: h=hl=h2f=1 咖=咖=咖2=0.5J=1 其中,h为系统口径半高度为系统焦距;为系统 光焦度;-,为拉格朗日不变量.初级球差.s为: SI=?1P1+?3+h’lK1(1) 其中,咖,咖:,h,h:和P,P2分别为非球面镜和球 面镜的光焦度半口径高度(取h=h:)和基本像差 参量(与形状系数Q有关);K为非球面引起的像 差,且K:一堕,要消除球差,要求S:0,r1 则: :咖r;(P】+P2)— (2) 由于非球口自】镜米用半凸镜彤式,有Q=一1,按照等 偏角和球差极小值原则得出曲率半径p(p=?): p=Q+/l’1=;p :=Q+1=0(3) 由双分离透镜P,像差参量公式可以推导出球 差最小时Q:=,则有: p3=Q2+;p4=Q2+1(4) 根据玻璃的供应情况以及考虑到成本问题,物 镜的材料都选用K9玻璃,即有n=n::n,折射率n 确定后,根据公式(3)和(4),求出形状系数Q,从而 求得半径r.再根据Q求解系统的P: P=P1+P2=1Q;+B1Q1+2Q:+B2Q2+C (5) 式nI n +2 ;A2=咖譬=咖 咖; c=+(+ 4)+咖2(3+) ,’2 将已知量代人公式(2)求解二次曲面的偏心率e. 在归一化参数的基础上将半径放大到实际要求的大 ,, 小(r实际==,r),再将透镜合理加厚,进行光线 追迹和像差平衡来完成物镜初始设计. 2.2目镜设计 由设计要求可知:物镜的通光口径= 200mm,焦距f400mm,视场角2:2mrad.由于 放大倍率F=40,则目镜参数要求如下:通光口径 = 5mm,焦距f=一10mm,视场角2to=80mrad. 孔径光阑位于物镜上,目镜的设计与物镜设计方法 相似,由于目镜的视场角比较大,在设计时要适当的 将目镜复杂化,合理分配光焦度(通常采取等光焦 度分配),然后进行光线追迹和像差平衡,使得达到 最后设计要求. 2.3扩束器设计 将扩束器物镜和目镜进行对接,考虑多波长情 况,利用ZEMAX软件对整个扩束器进行光线追迹 和像差平衡,最终设计的扩束器系统如图1所示,光 学系统的结构参数如表l所示. 表1光学系统数据 Tab.1surfacedatasummary SurfTypeRadius/mlnThickness/mlnG1assConic OBJsTANDARDInfinitvInfinitvO IDsTANDARD334.852130K9—0.5680691 2sTANDARDInfinitv2O 3sTANDARD263.42930K9O 343.3456A1=O.532p.m 4sTANDARD499.8808346.54o2A2=O.6328tunO 352.8747A3=1.064~.m 5sTANDARD24.797941K9O 6sTANDARD9.2719511.5O 7sTANDARD一7,254867lZO 8sTANDARD一7.8674532O 9sTANDARD一21.12081O.8K9O 10sTANDARD一13.O2O99O.3O 11sTANDARD8.9O2864O.8K9O 12sTANDARD10.8230110O 13PARAXIAL10o IMASIIANDARDInfinitvO