簡(jiǎn)易激光擴(kuò)束器的設(shè)計(jì)和制作

1、簡(jiǎn)易激光擴(kuò)束器的設(shè)計(jì)和制作一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募す鈹U(kuò)束器是激光雷達(dá)、激光測(cè)距等光學(xué)系統(tǒng)中重要的光學(xué)部件，在上述系統(tǒng)中一個(gè)優(yōu)良的光學(xué)系統(tǒng)是決定整個(gè)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一。因此，理解和設(shè)計(jì)出一個(gè)良好的擴(kuò)束器成為一種必要。然而擴(kuò)束器對(duì)于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)學(xué)習(xí)的學(xué)生而言卻顯得非常陌生，由于沒(méi)有現(xiàn)成的儀器，學(xué)生僅從理論上學(xué)習(xí)它，這在一定程度上限制了學(xué)生的知識(shí)范圍。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建不僅能讓學(xué)生清楚的理解擴(kuò)束器的原理，更能讓學(xué)生自己動(dòng)手搭建系統(tǒng)，培養(yǎng)了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，自我動(dòng)手的能力。圖1 擴(kuò)束鏡二 實(shí)驗(yàn)原理2.2擴(kuò)束鏡原理擴(kuò)束鏡是能夠改變激光光束直徑和發(fā)散角的透鏡組件。從激光器發(fā)出的激光束具有一定的發(fā)散角，對(duì)于激光加工來(lái)說(shuō)

2、，只有通過(guò)擴(kuò)束鏡的調(diào)節(jié)使激光光束變?yōu)闇?zhǔn)直（平行）光束，才能利用聚焦鏡獲得細(xì)小的高功率密度光斑；在激光測(cè)距中，必須通過(guò)擴(kuò)束鏡最大限度地改善激光的準(zhǔn)直度才能得到理想的遠(yuǎn)距離測(cè)量效果；通過(guò)擴(kuò)束鏡能改變光束直徑以便用于不同的光學(xué)儀器設(shè)備；擴(kuò)束鏡配合空間濾光片使用則可以使非對(duì)稱光束分布變?yōu)閷?duì)稱分布，并使光能量分布更加均勻。圖2 擴(kuò)束鏡原理圖三 實(shí)驗(yàn)方案及比較3.1棱鏡擴(kuò)束法由于棱鏡材料的折射，使出射光方向與入射光方向不同，其入射角與棱鏡頂角的變化可以引起光束寬度的改變.棱鏡擴(kuò)束示意圖如圖1a .每個(gè)棱鏡的擴(kuò)束比為D/d=M= （3-1）式中D為出射光的寬度；d為入射光的寬度；M為擴(kuò)束比；為入射角；為折射

3、角；p是棱鏡的折射率。玻璃棱鏡的p=1.54.根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，d=2mm，D=47mm,則總的擴(kuò)束比為Mn=Dd=23.5 （3-2）圖3 棱鏡擴(kuò)束系統(tǒng)若想用3個(gè)棱鏡完成擴(kuò)束比，則每個(gè)棱鏡的擴(kuò)束比應(yīng)為M=Mn13=2.8 （3-3）由M=cosarcsin(sin/p)/cos=2.8 ，可近似算得=81°.由折射定律p=sin/sin,可得=53°.在選擇棱鏡的頂角時(shí)，應(yīng)使得出射光束盡可能垂直于出射面，以使這個(gè)出射面反射最小.由幾何學(xué)可知，應(yīng)取棱鏡頂角53°.實(shí)際的棱鏡擴(kuò)束光路如圖1b。和下面的透鏡擴(kuò)束相比，具有體積小，無(wú)象差等優(yōu)點(diǎn)，并同時(shí)使入射光方向轉(zhuǎn)了近90

4、°，用在系統(tǒng)光路中即擴(kuò)展了光束，也使光線方向發(fā)生改變，起到了擴(kuò)束鏡和反射鏡的雙重作用。3.2雙凸透鏡擴(kuò)束法設(shè)透鏡的焦距為F，物距和象距分別為s01和s02，它們之間的關(guān)系為 （3-4）當(dāng)s01=F時(shí)，s02=,說(shuō)明透鏡焦點(diǎn)上的一個(gè)點(diǎn)光源經(jīng)過(guò)透鏡后為一平行光；當(dāng)S02=F時(shí)，S01=,表明當(dāng)入射光為一平行光時(shí)，經(jīng)過(guò)透鏡后，聚焦在透鏡的焦點(diǎn)上，如圖4所示。圖4透鏡聚光原理利用這一特點(diǎn)，采用兩個(gè)焦距不同的透鏡，可以構(gòu)成如圖3所示的擴(kuò)束和準(zhǔn)直系統(tǒng).F1、F2分別為兩個(gè)透鏡的焦距，由幾何光學(xué)原理很容易得出束寬放大比率為M= （3-5）設(shè)激光束直徑為d，光束寬度為D，那么 圖5 擴(kuò)束系統(tǒng)和棱鏡相

5、比，透鏡存在相差的影響，其中最主要的是球差.球差是由于非傍軸光線通過(guò)透鏡時(shí)屈折得過(guò)分利害引起的，從而引起聚焦不好，如圖6a。但是如果把一塊透鏡想象成兩塊棱鏡在底部連接而成，那么明顯的是：當(dāng)入射光線同鏡面和出射光線同鏡面大致成同樣大小的角度時(shí)，入射光線的偏轉(zhuǎn)將最小，在圖6b中，只要把透鏡翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，就使球差顯著減小，當(dāng)入射光是平行光時(shí)，對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單的凸透鏡來(lái)說(shuō)，若其后表面幾乎為平面但不完全是平面時(shí)，將會(huì)有最小的球差。由于光路是可逆的，用兩個(gè)透鏡進(jìn)行擴(kuò)束時(shí)，應(yīng)使兩個(gè)透鏡較平的一面相對(duì)，來(lái)減小相差。圖6 一個(gè)平凸透鏡的球差3.3凹凸透鏡組合擴(kuò)束法與4.2雙凸透鏡擴(kuò)束法類似，講入射鏡片換成凹透鏡，兩透鏡間

6、距為R=f1+f2 (3-6)同樣，放大倍率的計(jì)算方法同公式（3-5）圖7 凹凸透鏡組合擴(kuò)束原理圖3.4方案比較與透鏡擴(kuò)束器相比，棱鏡擴(kuò)束器具有體積小、擴(kuò)束比大、損耗低、偏振性好等特點(diǎn)，但是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。最通用的透鏡擴(kuò)束器起源于伽利略望遠(yuǎn)鏡，通常包括一個(gè)輸入負(fù)透鏡和一個(gè)輸出正透鏡。輸入鏡將一個(gè)虛焦點(diǎn)光束傳送給輸出鏡，兩個(gè)透鏡是虛共焦結(jié)構(gòu)。一般小于20倍的擴(kuò)束鏡都用該原理制造，因?yàn)樗?jiǎn)單、體積小、價(jià)格也低。它的局限性在于不能容納空間濾波或者進(jìn)行大倍率的擴(kuò)束。綜上所述，我們決定主要采用透鏡擴(kuò)束法中的凹凸透鏡組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。同時(shí)也采用雙透鏡擴(kuò)束法進(jìn)行對(duì)比。四 方案實(shí)現(xiàn)我們使用的材料如下：焦距為45mm、

7、50mm、225mm、300mm、-60mm的透鏡各一塊、透鏡架兩個(gè)、光屏一個(gè)、激光器一臺(tái)，搭建透鏡擴(kuò)束系統(tǒng)。五 調(diào)試過(guò)程及結(jié)論5.1擴(kuò)束系統(tǒng)的搭建和調(diào)試將各器件調(diào)整到同軸等高，按照3.2與3.3中的計(jì)算結(jié)果放置給器件的位置，如下圖所示。圖8 先將光屏放在激光器與第一片透鏡之間，測(cè)量測(cè)量激光器發(fā)射出的激光束的直徑。再將光屏放置在最后一塊透鏡后，移動(dòng)光屏，觀察光斑大小是否發(fā)生變化，若光斑大小不變化則對(duì)直徑進(jìn)行測(cè)量；否則微調(diào)兩片透鏡之間距離，直到移動(dòng)光屏?xí)r光斑大小不再變化。5.2數(shù)據(jù)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表前透鏡焦距f1后透鏡焦距f2光斑直徑D50mm225mm3.3mm-60mm300mm3.5mm4

8、5mm300mm3.8mm5.3數(shù)據(jù)分析根據(jù)公式（3-5）計(jì)算出理論放大倍率M鐞?，在根據(jù)光斑直徑與激光束直徑的比值計(jì)算出實(shí)際放大倍率。數(shù)據(jù)處理結(jié)果前透鏡焦距f1后透鏡焦距f2光斑直徑D理論放大倍率實(shí)際放大倍率誤差50mm225mm3.3cm4.54.18.9%-60mm300mm3.5cm54.412.0%45mm300mm3.8cm6.74.813.4%激光束直徑d=0.8cm根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，實(shí)際放大倍率與理工放大倍率還是有較大差距。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將透鏡按照理論計(jì)算結(jié)果擺放，移動(dòng)光屏，光斑大小依舊會(huì)發(fā)生變化，只有經(jīng)過(guò)仔細(xì)調(diào)整才能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)過(guò)程可能會(huì)改變擴(kuò)束系統(tǒng)的放大倍率。另外在測(cè)

9、量光斑直徑的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)光斑邊緣并不明顯，可能造成測(cè)量誤差。但總的來(lái)說(shuō)，使用大倍率的透鏡組依然會(huì)產(chǎn)生較大的光斑。六 實(shí)驗(yàn)總結(jié)通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)，我們將課堂上學(xué)習(xí)到的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中，對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解更加深刻。本次實(shí)驗(yàn)，我們采用了雙凸透鏡和凹凸透鏡組合兩種方案來(lái)進(jìn)行比較。在成像質(zhì)量上兩者并沒(méi)有明顯差距。隨著放大倍率的增加，整個(gè)擴(kuò)束系統(tǒng)的體積再也增加。但使用凹凸透鏡組合可以有效減小整個(gè)系統(tǒng)的體積。所以在實(shí)際的生產(chǎn)生活中，使用最廣泛的是由凹凸透鏡組合而成、類似伽利略望遠(yuǎn)鏡的擴(kuò)束系統(tǒng)。這種擴(kuò)束系統(tǒng)的特點(diǎn)是成本低、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。在實(shí)驗(yàn)中也遇到一些問(wèn)題。比如，考慮到激光器發(fā)出的激光束也有較小的發(fā)散角，那么激光器到第一片透鏡之間的距離對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)不會(huì)有影響。通過(guò)幾次嘗試，我們認(rèn)為基本沒(méi)有影響，雖然激光束也有一定的發(fā)散角，但幾乎可以認(rèn)為是平行光。如果將透鏡按照理論計(jì)算結(jié)果擺放，我們發(fā)現(xiàn)，移動(dòng)光屏?xí)r光斑大小也會(huì)發(fā)生變化，只有仔細(xì)調(diào)整兩片透鏡之間的距離，才能保證移動(dòng)光屏而光斑不發(fā)生變化。我們也嘗試了使用物屏來(lái)代替激光束，并在物屏與第一片透鏡之間加一片透鏡，以保證射入擴(kuò)束系統(tǒng)的是平行光。但由于物屏遮擋了大部分光線，導(dǎo)致光屏上呈現(xiàn)的像不明顯、不利于觀察，所以我們放棄了這種方案。我們也認(rèn)識(shí)到理論和實(shí)際的差距，實(shí)際中不可能像理論一樣完美，但不能否認(rèn)理論依據(jù)起到的指向性作用。我們要以理論為依據(jù)，結(jié)合實(shí)