摘 要

目前，激光已在工程、医疗和制造等方面得到了广泛的应用。为了探究如何使用简单的透镜对激光进行高倍率准直，本文进行了方案的设计与仿真，并结合实验室的具体情况进行对方案的实验、验证。

本文中设计了三种方案来实现激光的光束准直。并使用CODEV对三个方案进行模拟仿真。在方案一中，使用两个普通的凸透镜构成开普勒望远镜系统来对激光光束进行扩束。方案二则使用一凸一凹两个透镜构成伽利略望远镜系统来对激光光束进行扩束。方案三中，我采用了两个凸透镜加上一个凹透镜来构成透镜扩束系统。在用CODEV进行仿真的过程当中，观察了三个方案的快速二维曲线图，并使用CODEV的波前像差分析功能对系统进行像差分析。同时，利用软件的优化功能对系统的不足进行了优化。仿真结束之后，对三个方案进行了分析和比较，得出了较优的方案。

研究结果表明：在激光准直系统中，如果像差较大，出射光束将会不再平行。所以在设计过程中，必须尽可能减小像差。在本次设计中主要需要减小的像差是波前像差。在仿真过程中，主要通过软件中的优化——优化波前误差变化来进行系统的优化，优化之后的系统具有良好的扩束准直效果。

本文的特色在于：仅用两、三片透镜就得到有良好准直效果的扩束系统。

关键词：激光准直；扩束系统；波前像差；CODEV

Abstract

At present, lasers have been widely used in engineering, medical and manufacturing. In order to explore how to use a simple lens for high-magnification collimation of the laser, the design and simulation of the scheme are carried out, and the experiment and verification of the scheme are carried out in combination with the specific conditions of the laboratory.

Three schemes are designed in this paper to achieve laser beam collimation. And use CODEV to simulate the three scenarios. In Scheme 1, two ordinary convex lenses are used to construct the Keplerian telescope system to expand the laser beam. In the second scheme, a Galileo telescope system is constructed using a convex-concave two-lens lens to expand the laser beam. In Scheme 3, I used two convex lenses plus a concave lens to form the lens expansion system. During the simulation with CODEV, the fast two-dimensional maps of the three scenarios were observed, and the aberration analysis of the system was performed using the wavefront analysis function of CODEV. At the same time, the optimization of the software was used to optimize the system's inadequacies. After the simulation was completed, the three schemes were analyzed and compared, and a better solution was obtained.

The results of the study show that in the laser alignment system, if the aberration is large, the outgoing beam will no longer be parallel. Therefore, in the design process, aberrations must be minimized. The main aberration that needs to be reduced in this design is wavefront aberration. In the simulation process, the optimization of the system is mainly through optimization in the software—the wavefront error is optimized. After optimization, the system has good beam expansion and collimation effects.

Key words: Laser collimation; expanding system; aberration; CODEV

目 录

第1章 绪论 1

1.1 目的及意义 1

1.2 研究背景和现状 1

1.3 主要内容及章节安排 2

第2章 基本原理 4

2.1 激光准直技术的基本原理 4

2.1.1 望远镜系统的激光扩束原理 4

2.1.2 折射式扩束望远镜系统的特性分析 6

2.2 激光准直技术的关键 7

2.3 激光准直技术的主要技术问题 8

2.4 激光准直技术的分类 8

2.5 小结 9

第3章 方案的仿真 11

3.1 方案的提出与参数计算 11

3.1.1 方案一 11

3.1.2 方案二 12

3.1.3 方案三 12

3.2 方案的仿真 14

3.2.1 方案一的仿真 14

3.2.2 方案二的仿真 16

3.2.3 方案三的仿真 19

3.3 方案的比较与选择 21

3.4 小结 22

第4章 激光准直实验 23

4.1 方案一的实验 23

4.2 方案二的实验 26

4.3 小结 28

第5章 结论 30

参考文献 31

致谢 32

第1章 绪论

激光的基本原理在1916年就被物理学家爱因斯坦发现，但由于当时技术有限，直到1960年，第一台红宝石激光器才由美国科学家梅曼制作出来。因为激光是在理论准备充足和生产迫切需要的条件下制造出来的，因此发展非常迅速。至今为止，激光已经在医疗、工程和制造等众多方面得到广泛的应用。激光在准直光学方面也是一个大热门，准直光学系统是一种常见的光学结构，而其中激光准直系统就是一种高精度的准直系统。激光准直是一种高精度的准直方法,它具有激光强度大,单一波长，能量集中和方向性好等众多优点，因此与一般的准直望远镜系统相比较,它具有了不可超越的优点。

1.1 目的及意义

在本文中，利用光学设计软件CODEV对实验用激光扩束系统进行仿真设计，在对比三个方案的优缺点并根据现有的实验条件进行方案的选择。方案一中使用两个简单的凸透镜来构成一个简单的倒置的开普勒望远镜系统来对激光进行扩束。方案二则采用一凸一凹两个透镜构成的伽利略望远镜系统来对激光进行扩束^[1]。方案三是通过借鉴变焦系统和前面两个方案而来的。研究结果可为高倍率激光准直系统的设计提供一定的参考价值。

准直光学系统是一种常见的光学结构，而其中激光准直就是一种高精度的准直方法。但是，由于激光准直技术是用激光当准直光源的，而传统的准直系统和低倍率的准直系统满足不了激光作为准直光源的系统要求，因此，研发实用的高倍率激光准直系统成为目前激光领域研发的热点^[2]。对于精密的激光准直方法而言，其最为关键的点在于能够提供一条具有较高时空稳定性的空间理想直线为基准，并在此之上精确测出被测点和理想直线的偏差。因此，研发高倍率的激光准直系统对激光准直技术在实际中的应用有着重要的意义。

1.2 研究背景和现状

从1960年激光被制造出来，由于其能量集中、强度大、单一波长和方向性好等的特性，很快被用作准直光源。经过50多年众多的研究学者的研究表明：激光在准直领域中还是准直光源的最佳选择。激光准直技术按检测原理大致可分为三个类型：一是振幅（光强）测量型，二是相位测量型，三是偏振测量型。尽管经过众多科学家50多年的研究,激光准直技术还是没有攻破较长距离范围的准直技术的高精度难关。而且他们遇到的难题，基本上都是一样的，主要有以下三个:（1）激光光束漂移；（2）光线弯曲；（3）大气扰动。在我国，清华大学在激光准直领域有着较高的权威。其精仪系由于成立时间较早，对激光准直这一技术的研究时间也相应的较长。在上述的三种准直类型中，他们都进行了较为深入的探索和研究，在克服大气扰动影响和消除激光传播过程弯曲等研究方面取得了显著效果，并且成功将理论转化为实际，研制出了样机，甚至有些样机还投入生产实际，成为产品^[3]。在目前世界范围内，美国、德国、以色列对于激光准直技术的研究处于领头羊的位置。目前国外在激光准直方面的技术相较于国内是领先很多，目前国外高功率激光装置的准直技术已较为成熟，激光准直系统领域中的分支——光束自动准直系统在上世纪七十年代就已经在美国利弗莫尔国家实验室的 Shiva装置上得到了应用和实践，而我国在上世纪90年代到2000年左右才成功研发出来，但还是没有成功应用到实验装置上。在国内，同济大学研制的一款Φ300HTM激光扩束器, 是具有大口径、高倍率特点的哈特曼扩束器。该系统总长950mm, 通光口径为Φ300mm, 扩束比为30×;武汉巍腾科技有限公司研发的VIS-NIR 56C-30系列的电动变焦激光扩束镜可实现1×~4×或2×~8×的连续变焦, 系统像差小于λ/4;在国外，CVIMG公司研发的LBV系列激光变焦扩束系统, 可实现2.5×~10×的变倍比, 系统像差小于λ/10。

随着激光的研究越发深入，激光的用途越来越广泛，对于激光光束准直的需求与要求也随之增多，而在众多的准直方法中，最为简单与简便的就是运用准点光源概念对激光进行激光准直^[4]。至今已经发展了许多种激光束空间整形技术，某些技术已相当成熟，可以应用到工业如气体激光器和固体激光器的光束整形中去，输出光的光束质量相较以前也有很大进步^[5]。目前已经出现了很多诸如CODEV、Zemax等自动化的光学设计软件，让光学设计工作者能先在计算机上进行仿真设计，从而减少在实际设计上遇到的问题，给工作带来了很多方便，实现了计算机对实际工作的指导、规划和减负。

1.3 主要内容及章节安排

本文设计了一个光学系统，其要求是能够将激光的光束扩束、准直，让出射光住满足设计的倍率条件下还具有准直的效果。设计的前提要求是光源出射的光是平行光束。激光准直系统主要是扩展激光束的直径和减小激光束的发散角，常用于激光雷达、激光测距、建筑监测和远距离照明等应用中。设计原理是从激光器输出的激光束的光斑尺寸和激光的发散角的乘积是个光学固定值，也就是说激光光斑越大，其发散角应该越小。本次论文准备利用光学设计软件CODEV对激光扩束系统进行设计，完成理论仿真，并在仿真结果良好的情况下进行实验，在仿真和实验中都取得良好的结果。本次设计所采用的仿真软件是CODEV，利用CODEV对激光扩束系统进行设计，在三个方案的理论仿真都完成后，通过观察三个方案的模拟草图和分析三个方案的像差，再结合实验室现有的实验条件来选择最优方案来完成实验。在实验中，使用氦氖激光器发射的激光作为光源，并保证该出射光是水平出射的，然后通过一个望远镜扩束系统得到出射平行光束，这分别是准直的基准线和被测量的线。在激光平行光束的后方，准备放置一个四象项光电探测器，当平行光束偏离光电探测器中心时，便会由于光强度分布不均匀而产生偏差电压，从而知道出射光偏差的大小和方向。但由于实验室的器材有限，因此只能用坐标纸来放在出射光的后方，用肉眼来大致判断出射光的准直与扩束情况。