二维光束整形系统设计与仿真

针对高功率板条激光波前矫正的需要,基于ZEMAX软件对二维光束扩束整形系统进行设计和仿真。系统将初始尺寸为2.5 mm×28 mm,发散角为7 mrad×2 mrad矩形光束扩束整形为尺寸为40 mm×40.2 mm,发散角为0.54 mrad×1.3 mrad的方形光束。光束整形方向输出光学传递函数接近衍射极限,光束整形方向视场10 mrad时,两方向引入波像差之和为0.0186 λ,P-V值小于0.1 λ。     

窄线宽准分子激光腔内棱镜扩束器的优化设计

棱镜扩束器(PBE)广泛用在准分子激光腔内光谱压窄系统中,可以有效降低光束发散角和系统内能量密度。为了实现窄线宽激光输出并降低腔内损耗,需要对棱镜扩束器的棱镜个数、单棱镜扩束倍数和棱镜顶角进行优化设计。根据棱镜扩束倍数的理论,数值分析了入射角、顶角和出射角对棱镜扩束倍数的影响,并在实验上很好地验证了扩束倍数与入射角的关系。此外,推导了激光器线宽压窄系统实现一定激光线宽输出所需的总棱镜扩束倍数。优化设计了扩束倍数M为13.3的氟化钙消色散棱镜扩束器,在此基础上,实现了0.915pm的窄线宽ArF激光输出,实验结果与理论设计吻合。     

大口径哈特曼扩束系统的设计和研制

论述了用于哈特曼波前探测系统的透射式光学扩束器的研制.以三级像差理论为基础,分析了传统扩束器没能很好校正轴外像差的原因,在推导计算出初始结构参数后,通过ZEMAX光学设计软件,设计出轴上和轴外像差都得到很好校正的、大口径、大相对孔径、视场可增大的新型扩束器.并根据此哈特曼扩束系统的实际使用要求,考虑支撑受力与热变形等因素,为光学元件配以相应的结构设计,给出了具体的设计实例.介绍了加工过程与调整方法,提供了检验方式.最终验收得到波前PV值为λ/4.     

浸没式光刻系统中光束传输系统的设计

为实现浸没式光刻照明系统掩模面上高均匀照明性和不同照明模式,对照明系统中的光束传输系统进行了研究。浸没式光刻照明系统中的激光光束传输系统是光刻机中的重要组成部分,直接影响光刻机性能。针对浸没式光刻照明系统特点,提出了采用球面镜和柱面镜组合的光学结构,进行了激光准直扩束系统的光学设计与仿真分析。此外,对设计的准直扩束系统进行了公差分析,以保证在加工和装调完成后光束的发散角和口径均满足设计要求。最后,在系统完成的基础上对不同位置处的光斑尺寸进行测量。设计结果表明,系统能够满足光束在5~20 m传输光路范围内,不需要进行透镜间隔的调节,实现光斑大小和发散角满足设计要求,保证目标光束口径在(28.5±0.5)mm范围内,X方向发散角为1.2 mrad,Y方向发散角为1.84 mrad。通过分析发现,设计结果能够很好地满足指标的精度要求,具有重要的应用价值和实用意义。     

基于ZEMAX的半导体激光准直镜设计方法研究

针对目前采用单个球面镜压缩激光时存在发散角效果差或者球面镜片数过多的问题,通过ABCD矩阵法从理论上对高斯光束经过单透镜时的传输特性进行了分析,得出了单透镜无法实现半导体激光光束理想准直的结论。提出了一种基于ZEMAX的半导体光源准直镜的设计方案,并给出了设计与优化方法。结合工程中常用的808nm半导体激光器,设计了双片型808nm半导体激光准直镜,并在ZEMAX中使用合适的优化函数和权重对像差进行了校正。通过采用非球面镜获得了较好的准直效果,发散角达到了0．032mrad。该设计使用的镜片数较少,结构简单。     

1.06 μm脉冲激光高倍率变焦的扩束发射光学系统设计

远距离激光主动探测体制对扩束发射光学系统的扩束能力和跟踪适应性能提出了较高的要求。针对1.06 μm YAG调Q脉冲激光扩束发射光学系统进行了具体的分析设计，采用一级折射变焦式和二级离轴反射式相结合的两级扩束系统，可将输出激光束最小发散角压缩到近0.1 mrad，输出光束最大宽度达到130 mm以上，并且在满足一定准直性的基础上，实现了大约1.5~50倍扩束比的高倍率变焦范围，使系统能够满足扫描搜索以及适应距离的远近变化来进行跟踪探测的要求。     

紫外-可见光谱水质检测系统的多束LED光纤耦合研究

针对紫外-可见光谱水质检测系统单个LED光源输出功率低、光束质量差的问题,提出了一种多束紫外LED光源与光纤合束耦合的结构设计方案.运用ZEMAX光学分析软件开展了仿真设计研究,针对紫外LED光源与光纤耦合发散角较大的问题,设计了非球面准直透镜,准直后发散角为0.403 mrad;针对光束尺寸与光纤的匹配问题,进行了消色差双分离聚焦耦合透镜的设计.实验结果表明,合束LED光束汇聚的弥散斑的RMS尺寸为186.412 μm,GEO点尺寸为290.071 μm,光束中95％以上的能量集中在300μm以内,实现了多束LED光源与光纤的高效耦合.     

热载荷下激光扩束系统的光机优化设计

为提高激光扩束系统的温度适应性水平,提出了一种直接面向光学系统波像差的光机结构优化方法。对扩束系统进行了敏感度分析,并结合齐次坐标变换,将波像差的失调模型与有限元中的节点应变进行有机结合。以最小化失调波像差为优化目标,得到了支撑结构的最优材料拓扑,然后按照拓扑云图对镜架进行分块划分和尺寸优化。最终得到的镜架结构合理,加工工艺性良好,且具有优良的温度适应性。-50℃时,扩束系统波像差均方根(RMS)值从0.728λ降为0.196λ,λ=632.8nm;而且在±50℃的范围内,同等载荷条件下,优化后的系统波像差RMS值约为优化前的1/4。     

超大相对孔径抛物面反射镜的补偿检验

在基于像差理论的基础上,对于超大相对孔径抛物面反射镜,提出了三片补偿镜和一片场镜的零位补偿检验方法,详细论述了补偿检验系统的设计过程,成功地设计了相对孔径为F0.6,口径为φ290 mm的抛物面反射镜的补偿检验系统,从整个设计的结果看出,检验系统的像差被很好的校正,完全达到衍射极限.     

611激光扩束望远镜的工程应用问题

６１１激光扩束望远镜的工程应用问题王正兴，程洁，代明，孙年春（成都西南技术物理所，６１００４１）激光扩束望远镜的主要作用是压缩激光发散角。但在工程应用中，激光扩束望远镜的实际作用是调整激光发散角，包括压缩和扩大两个方面。611激光扩束望远镜的工程应用问?..     

条形半导体激光器准直方法研究

对半导体激光准直变换、能量耦合、整形的方法等进行了研究分析,提出了条形半导体激光器准直变换的处理方法,设计了半导体激光测距准直天线。分析计算表明,采用扩束透镜与棱镜对准直可以将输入参数为发散角10°×40°,发光面100μm×1μm的典型半导体激光束,变换为发散角在1mrad以内的准直光束。     

激光测距仪用非球面准直透镜优化设计

针对激光测距仪使用的650 nm激光二极管光源的远场发散角特点,结合非球面光学设计理论,使用ZEMAX软件模拟计算了非球面透镜准直系统成像像差并进行了最优化,设计出非球面准直整形系统,给出了系统数据、点列图、横向像差特性曲线和光程差仿真图。给出了一种采用非球面透镜准直系统对激光二极管的发散角进行压缩准直的设计。由计算结果可知,准直整形后的最大发散角压缩为0.199 9 mrad,相应的光斑更均匀,能量利用率提高。给出的光学系统结构简单、制作方便、具有很好的球差校正能力、成像精度高且使用方便。     

微弧度量级远场发散角光束发射系统的设计与实现

建立了发射光束通过带有波像差的望远镜系统后的远场光斑分布数学模型,采用数值计算,结合Monte Carlo方法分析了波像差方均根(RMS)值对发射光束远场发散角的影响,据此确定望远镜波像差的容差,以实现特定发射光束的远场发散角。结果表明:对于采用偏轴发射方案的激光通信系统,当望远镜的波像差RMS值优于0.13λ(λ为光束的波长)时,发射光束远场发散角小于10μrad,当RMS值小于0.2λ时,发射光束远场发散角小于16.2μrad,且仍有60%的概率小于10μrad。在实验室中,不同温度下望远镜波像差及其对应的发射光束远场发散角的测试结果很好地验证了以上分析结果。     

多波长透射式扩束器设计

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400mi、视场为2mrad、放大倍率为40倍和主工作波长为0.6328μm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0.532μm和1.064μm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.     

非球面变焦扩束系统的设计

文章讨论了如何将二次旋转非球面透镜引入变焦扩束系统设计中,并给出了一个采用非球面透镜的变焦扩束系统的设计方案和参数。这个扩束系统的扩束比可在2．3－18之间连续改变,最大角差小于03mard。与采用球面透镜的扩束系统相比,非球面透镜的采用不仅可以简化系统的结构,而且可以取得更大的变焦范围,并使输出光束的质量有较大提高。     

轴向梯度折射率材料用于激光束聚焦镜设计

研究了轴向梯度折射率透镜的设计方法,总结了轴向梯度折射率镜头的像差理论,简述它在光学设计软件中的使用。最后把轴向梯度折射率材料用于激光束的聚焦设计。对扩束后φ12mm,波长1．06μm的激光束,分别设计了单片的普通球面透镜、单片非球面透镜和单片轴向梯度折射率透镜对其进行聚焦。从设计结果来看,轴向梯度折射率透镜像差接近衍射极限,明显好于其他两种透镜。在理想焦点上,三种透镜聚焦的RMS分别为191.75μm,17.69μm和2.42μm。     

激光准直扩束光学系统研究

结合高斯光束的传播特性,本文提出了一种激光准直扩束光学系统设计参致的确定方法,并给出了自校整空间位移测量仪中准直扩束系统的设计结果.     

激光测距仪单透镜发射准直模块的优化设计

采用单透镜准直系统进行发散角的压缩。针对635nm激光二极管的光源,使用ZEMAX软件模拟了透镜准直系统成像像差,选取了最佳的设计方案。不仅满足了激光测距仪的要求,还节省了制造成本,方便地实现了小型化、模块化。     

高功率激光发射系统的一级扩束设计

针对高功率激光发射系统对一级扩束的要求(即光束质量和扩束倍率都得到较好的保证),研究了高功率激光一级扩束系统。从激光扩束系统的类型、镜体基材选取等方面论述了高功率激光发射系统的一级扩束设计过程。首先,通过分析扩束系统类型,设计了离轴无焦卡塞格林扩束系统;然后,对高功率激光反射镜基底材料选取进行分析,确定了采用金属无氧铜作为镜体的基底材料;最后,对设计结果分别进行了定性和定量检测。结果表明,该一级扩束系统的波相差为0.538 λ(λ=0.6328 μm),该系统像质好,性能优良,是一种可以被广泛采用的强     

Wollaston棱镜对发散光束的分束特性分析

为了了解Wollaston棱镜用于发散光束时对出射o光束、e光束发散角的影响,利用折射定律对发散光束两边缘光线通过Wollaston棱镜后的o光、e光分束角进行了推导,采用控制变量法分析了发散光束经过Wollaston棱镜后出射的o光束和e光束的变化,得出了Wollaston棱镜对出射o光束、e光束发散角的影响。结果表明,相对入射光束的发散角,Wollaston棱镜对o光束有减小发散角的作用,对e光束有增大发散角的作用;对于一定结构角的棱镜,当入射光的波长变大时,o光束发散角增大,而e光束发散角减小;对于确定的单色发散光束,当结构角增大时,o光束发散角减小,而e光束发散角增大;无论是入射光的波长还是棱镜结构角的变化,对出射o光束、e光束发散角的影响都是有限的。由此可见,在要求不是太高的应用中,可以忽略Wollaston棱镜对出射o光束、e光束发散角的影响。