激光发射光学系统聚焦分析

基于较简单的物理模型和矩阵光学方法,推导了激光发射光学系统发射平面波、球面波和高斯光束的调焦公式,并计算分析三种波的聚焦特性:平面波调焦时,随着调焦量绝对值减小,聚焦距离增大,当调焦量靠近零时,聚焦距离增加的速度较快;球面波调焦时,存在聚焦距离为无穷大的准直发射状态,若调焦量逾越该状态对应的值后,则发射光束成为发散光束,同时,随着入射球面波的曲率中心距次镜的距离增大时,准直发射状态对应的调焦量右移趋近于零;高斯光束调焦时,在相同调焦量下,高斯光束的束腰位置与平面波焦点位置在远距离上存在明显的差距,可以通过增加入射高斯光束的束腰宽度、增加激光发射光学系统的扩束比、选用波长更短的光束来减小这种差距。     

一种变倍扩束镜的设计

通常应用在激光光学系统中的准直扩束系统的扩束比是固定的,但有时需要激光光学系统的出射光束是变化的.基于高斯光学理论,分析了无焦连续变倍准直扩束系统的原理,实现了无焦连续变倍准直扩束系统的设计,并得到了验证.     

三维激光雷达共光路液体透镜变焦光学系统设计

针对动车组空间三维坐标的测量需求,设计了三维激光雷达共光路变焦光学系统。系统采用发射/接收共光路的结构形式,以高斯光学为理论基础,对能量传输进行了详细的分析,得到扩束透镜链的严格限制关系。为简化系统结构,利用液体透镜代替传统的机械变焦机构,以几何光学为理论基础,计算出光学系统初始结构,并采用Zemax光学设计软件进行仿真,设计出三维激光雷达发射/接收共光路光学系统。该结构形式不仅提高了系统同轴度、减小外部干扰,还简化了结构、缩小了仪器体积。采用液体透镜调焦代替机械调焦,避免了调焦引起的机械振动,有效提高了激光雷达的定位精度。通过改变液体透镜的光焦度,实现了在2~30 m测量范围内,发射光学系统在被测物体表面的光斑半径小于20 m/m,接收光学系统超过90%的聚焦能量集中在半径小于1.6 m的圆内,满足用户要求。     

CO2脉冲外差激光成像光学系统中高斯光束光路的设计

为提高CO_2脉冲外差激光成像光学系统的外差探测效率,在出射光为基模高斯光束的本振光路的设计中。根据光束经过光学系统的变换与传输特性,采用离焦式扩束望远系统,调节本振高斯光的束腰位置,使之与置于成像物镜焦平面的探测器的光敏面重合,实现高斯光束的本振光与从目标反射的平面波信号光位相的最佳匹配。     

非相干叠加激光发射系统光学设计

介绍了一种适用于三束激光非相干叠加聚焦的新型激光发射光学系统,工作波长1 080 nm,全视场角0.6。系统为离轴两镜反射结构,对三束紧密排列的激光光束进行扩束聚焦,系统主镜为口径303 mm的椭球面反射镜,系统像质接近衍射极限,并且可以通过控制次镜轴向位置调焦适应不同目标距离。计算了叠加后的激光光斑的功率密度分布和环围功率曲线,设计在目标距离1 000 m时叠加光斑半径9 mm内的环围功率大于95%,此激光发射系统结构简单,长径比小,聚焦质量满足使用需求,激光光斑能量得到有效叠加。     

激光划切机的光束传递系统设计

针对LTCC激光划切机的光束传递系统,介绍了355 nm固体激光的扩束、聚焦原理、系统装调与精密调焦方法.该方法适用于激光加工设备的激光光束传递系统搭建,简单实用.     

大口径光学系统在空间的应用

在八十年代美国实施战略防御计划时,研制了空基、地基高能激光器以对抗前苏联核导弹袭击.这些防御系统中主要的光学元件是可以控制和聚焦光束的大型反射光学系统.用空基光学系统作为送入轨道激光器的系统,或作为地基激光器中继反射系统.因此要求空间光学反射镜重量轻,并有精确定位和跟踪以及静态、动态调焦的面形控制和波前误差校正装置.这类的反射光学系统必须能装入现有的空间运载系统,如宇航飞机,并且在轨道中能展开.大型光学系统的展开结构至今未能成功地解决这一难题.     

激光扩束系统衍射现象数值计算

本文在标量衍射理论的基础上 ,应用柯林斯公式数值计算了高斯光束经过通光口径较小的扩束光学系统后的光强分布 ,结果表明出射激光光束的束散角虽然可以压缩 ,但往往不是高斯光束 ,而是具有亮暗相间的多个环状光束。本文的分析对于激光扩束光学系统及其它光学系统的设计具有一定的参考价值     

激光光学系统设计中球差对像方束腰的影响

文章主要针对激光光学系统设计中存在的球差对高斯光束像方束腰半径的影响进行了详细的讨论，并给出了具体关系。同时以曲线的形式分析了当物方束腰的位置和光学系统焦距变化时，由球差引起的像方束腰半径变化量也随之改变。最后通过激光羽烟衰减测试系统中聚光光学系统的设计实例说明了球差对高斯光束像方束腰的影响。     

基于双轴锥镜的环形激光束整形

为了改善非稳腔高能激光系统的光束质量,提高发射光学系统口径的利用率,采用新型的可用于光学非稳腔输出环形光束的光学整形方法,通过在激光腔外的光路上增加光学元件对输出的环形激光束进行了整形变换。在理论分析的基础上,设计并加工了基于双轴锥镜的光束整形装置,针对非稳腔高能激光器输出的环形光束进行了整形实验,取得了与理论分析一致的数据。结果表明,采用双轴锥镜装置整形后的光束比原始光束具有更好的光束质量,光束束腰直径由45mm减小为32mm,光束质量因子M2由14减小到11.8。该方法用于光学非稳腔输出环形光束整形变换具有可行性。     

激光打标机聚焦性能的优化设计

一般动态聚焦打标机在聚焦镜前加一套准直扩束系统,随扫描振镜的转动,同步调整准直扩束系统的位置,使激光束始终聚焦在打标平面上。但对更大幅面,聚焦效果不够理想,边缘部分比较模糊。为了适应更大幅面的打标,在原准直扩束系统的基础上,设计了动态准直扩束系统,通过优化设计准直扩束系统的运动轨迹,进一步提高了聚焦性能。经优化后的聚焦指标性能提高了20%,实现了小光斑、大范围的激光打标。同时利用多项式对扩束镜的轨迹进行拟合,提高打标速度,并利用分段线性插值查找表的方法对边缘部分的枕形失真进行校正。经装机测试,该系统打标效果好,能满足使用要求。     

一种半导体激光束聚焦和整形的光学装置

提出一种用全对称光学系统校正半导体激光固有像散，并用双胶合棱镜实现光束整形的新办法。该方法具有制造和装配简便等特点。给出了一种实用的设计方案和获得了高质量的聚焦、整形光束。文中还讨论了准直镜与双胶合棱镜的设计方法。     

基于非球面镜像差效应的长焦深高斯光束均匀化光学系统设计

近红外高斯激光束在强激光与材料相互作用、激光清洗、激光燃烧诊断等热点研究领域中发挥着重要的作用。然而,高斯光束能量分布的不均匀性阻碍了这些领域的深入发展。为提高工作效率和测量精度,实际应用中往往期望光束能量在较大工作距离内呈均匀分布,但现有光束整形方法无法同时满足长焦深和高激光耐受功率要求。为此,本文基于非球面像差效应提出并设计了一种新型长焦深高斯激光束均匀化光学系统,系统由非球面光束均匀化系统和球面长焦准直系统两部分组成,所有透镜均采用熔融石英并在其表面镀有增透膜,能够实现99.9%的光学系统传输效率。系统工作波段为1064 nm,工作距离为1000 mm,系统总长为135.2 mm,耐受激光功率不小于300 W。设计结果表明:整形后的平顶高斯光束有效焦深为±100 mm,光束均匀性≥95%,会聚角为17.52 mrad,能够满足上述应用场景的实际需求。本文设计的光束整形系统相比于其他激光光束均匀化系统,具有结构简单、易于加工、成本低、焦深长、耐受激光功率高、光束均匀化效果好的特点。     

相干式CO_2激光边缘跟踪雷达光学系统

根据目标激光散射回波的基本特性和边缘跟踪概念，设计并制作了一套单管调频连续波（ＦＭＣＷ）体制的相干式ＣＯ２激光雷达光学系统。这套系统的组合像差弥散斑直径约５０μｍ，用０．１８ｍｒａｄ全发散角的细光束照射目标产生了较好的误差信号。激光束模式较好时，系统接收到了７．８ｋｍ处房屋的后向散射信号，经扫频窄带滤波后，信号具有较高的信噪比，此时激光器输出功率约为５Ｗ。     

大功率固体激光器高效率光纤耦合

光束质量参数对大功率固体激光器光纤耦合系统的设计起着关键作用。大功率固体激光器输出的为多模激光束,引入等效基模光束来计算多模激光束的光束质量是一种有效的方法,并定义包含光斑能量98%的光斑半径为束宽,以此计算多模激光束的光束质量,是准确有效的。结合大功率固体激光器的光纤耦合原理和光束变换理论设计了高效耦合系统,并对系统内透镜的通光孔径及焦距等参量做了数值优化。实验证明,此光纤耦合系统能够进行大功率固体激光高效率耦合,成功地实现了输入功率为2000W时,耦合效率大于94%的激光输出,并给出了光纤耦合的效率曲线及分析。     

整形二元光学元件衍射效率的研究

设计了用于将He-Ne激光基模光束整形为环形光强分布的光束二元光学元件;并进行了实验分析,在实验中,主要改变输出面距BOE的距离L,测得输出面的衍射效率,并与数值计算相比对.     

非线性发射过载对激光引信光学接收系统的影响

激光引信包含精密光学系统,其中光学接收系统占重要地位,在常规弹药引信过程的应用中,高发射过载环境对系统弱回波聚焦质量造成严重影响,系统工作可靠性无法保证。提出接收聚焦透镜与窄带滤波片一体化方案,设计出一种新型缓冲结构接收系统光学,应用有限元分析软件ANSYS建立传统激光接收系统以及新型结构动力学模型,对接收聚焦透镜进行非线性动力学仿真以及ZEMAX光学仿真;最后进行空气炮冲击实验,结果表明:在经历70 000 g冲击加速度后,新型光学系统缓冲结构可有效缓解接收聚焦透镜塑性变形,提高脉冲激光束聚焦整形质量,激光回波能量显著增强。为常规武器激光引信接收光学系统抗高过载设计提供了一种新的方法和理论依据。     

基于ZEMAX的半导体激光器匀光设计

为了满足半导体激光器能量均匀化的应用需求,基于ZEMAX光学设计软件设计了一套光束整形匀光系统。采用非球面镜与倒置柱面镜望远系统的透镜组合对单模半导体激光器进行准直,得到近似高斯圆光斑;在推导了基模高斯强度分布的匀光投影半径的基础上,利用ZEMAX优化得到两个非球面镜组成的匀光透镜组,在一定范围内可获得能量均匀度达96%以上的圆光斑。同时,实现了一个大功率半导体激光器光纤耦合模块的能量匀化设计,满足对能量匀化要求较高的应用。结果表明,该研究为半导体激光器能量均匀化的应用提供了有效方法。     

圆柱面镜用于端面抽运光束整形误差分析

为了简化二极管端面抽运固体激光器的快轴准直,建立了圆柱面镜和聚焦镜作为二极管快轴准直系统的模型,给出了系统设计方法和关键参数的控制方法,通过仿真论证了以圆柱面镜做二极管激光器快轴校准的可行性,抽运光腰斑的大小和位置可以通过选择柱面镜半径、光源到柱面镜的距离、柱面镜到聚焦镜的距离及聚焦镜焦距来控制.结果表明,当柱面镜半径3mm、光源到柱面镜的距离0.7mm、柱面镜到聚焦镜的距离及聚焦镜焦距5mm时,抽运YAG晶体可以得到大于47%的光-光效率.     

激光淬火过程中的激光束模式分析

光束质量及功率稳定性在激光热处理中起着至关重要的作用.本文检测了在激光淬火过程中连续CO2激光束能量的空间分布变化情况,分析了激光模式对激光淬火硬化层均匀性的影响.在激光耦合输出端附近的光轴上安置基于焦热电相机的新型在线激光束分析仪实时监测高功率激光束模式.结果表明,由于激光能量密度空间分布的不均匀,导致激光功率密度高的一端所形成的硬化层更深;此外在特定功率下,激光模式、激光能量平均值和标准偏差都比较稳定,因此沿激光扫描方向的硬化带层深较为均匀.