内容发布更新时间 : 2024/5/13 15:59:11星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

一、激光扩束镜设计

一、设计要求：

设计一个激光扩束镜，扩束倍数为三倍，入射孔径为3mm，斜入射角1°，同时要求几何尺寸合适。 二、设计思路： １．确定第一面透镜

由于激光能量较高，所以光线追迹时，尽量使光束不在镜筒中汇聚，如果采用两面透镜来完成设计，就要保证第一面透镜为凹凸镜，先将光线发散，第二面为凸透镜再将光线汇聚，平行光出射。

２.确定第二面透镜：

在第一面透镜后放置凸透镜才能满足对无限远处对焦的要求。 ３．几何参数的确定： 由于要求几何尺寸合适，不妨将总尺寸设为160mm，由应用光学知识可以计算，则第一面透镜的焦距应该取-80mm，第二面透镜焦距取为240mm，筒长为160mm（也就是两透镜的几何距离）。

4.做到了平行光出射，并扩束三倍的要求后，下一步需要做的便是减少像差，这个里面可以调整的有透镜的材质，在几何尺寸允许的条件下还可以再对相对距离等参数做出微调，以求能调出像差较小的设计。同时为增加可调自由度，还可以考虑再增加一面或者两面透镜，来达到消像差的目的。 三、设计过程 （1）第一面透镜

在设计第一面透镜时，先大致利用应用光学知识进行计算，估算透镜两个面的曲率半径，这里，大约可以取R1=-50mm，R2=200，材质使用BK7玻璃。 这时，可以先看看这一面透镜的相关参数，探究下像差与单面透镜的一些参数的关系，这里，发现，当透镜的曲率半径取得越大时，透镜显示的球差和慧差越大，所以，在实验和实际工程中，建议使用曲率合适的透镜。

同样，根据设计思路，这时需要解决的另一个问题便是确定第一面透镜的焦距，这里可以使用SYNOPSYS软件中的edit solves 功能来确定其焦距，最后，经过调试，选择的是R1=-55，R2=150，选用BK7玻璃。 （2）第二面透镜 下一步便是确定第二面透镜的相关参数，根据设计思路中的计算，可以知道两面透镜之间的距离，所以需要确定的是透镜在像差比较小的情况下，能使光纤平行出射的焦距，也就是设计思路里面所确定的240mm。 这时，如何能确定出合适的参数便是需要解决的问题，这里所选用的方法还是利用SYNOPSYS

软件中的edit solves 功能，这时，透镜组合应该对无穷远处聚焦，也就是这个值要尽量大。 但在实践中，手动调节这个值并不是十分容易，但是软件的自动优化功能可以帮忙完成部分任务。

这是第一组还没有进行优化的数据，下面启动优化功能。

在选择优化参量时，需要注意，这时仍要遵循设计思路里面的原则，第一面透镜的相关参数和两透镜之间的距离是不能进行修改的，这也是本设计思路的局限性所在，同时，也说明在设计第一面透镜时，需要相当的经验，去配合第二面透镜，来减小像差。 自动优化过后

这时，这个焦距做的已经比较大，而且，时间证明，当焦距做得太大时，像差会与之成正相关。以下是像差：

当工程中对像差要求比对焦距要求高时，在优化的过程中，可以对不同参量选取不同的权重，这样，就可以得到相关性较好的数据。焦距与像差的关系实验，具

体的相关实验过程便不在此报告中详述，这里选取的是多次实践后得到的折中后较好的数据。

四、设计反思

（1）在光学设计中，设计思路是整个设计过程中的灵魂，所以，在设计前，磨刀不误砍柴工，可以先思考出合适的设计思路，后面就会遇到更少的麻烦。

（2）在设计过程中，使用自动优化时，一定要确定好可以优化的量，而且，对于经验欠缺的初学者来说，每次优化的参量尽量少，这样，得出的结果不至于差之千里。

（3）对于此实验，最容易想到的是使用凹凸镜加凸透镜的两面透镜方法，但是也可以增加一面或者两面透镜，例如，若增加一面透镜，可以使前两面透镜组成一面凹凸镜，再调整好距离，加上另一凹凸镜，这样，在优化的时候，可以有更多选择余地，但此实验中，经实践发现这条思路，设计出的结构效果并不比两面透镜更好多少，在报告中，便不作多的描述。

优化后的系统及其各项参数如下图：

系统焦距55.000mm，半孔径12.000mm，三级球差和彗差均小于E-10数量级，满足设计要求。系统总长约为35mm，聚焦点位于系统最后镜面后28.6mm处，实际可用。 三、分析总结

设计此聚焦镜主要基于第一片焦距55mm的凸透镜和软件的自动优化功能。

首先，要给出一片焦距55mm的凸透镜是容易的，利用BK7玻璃的折射率和应用光学的知