簡易激光擴束器的設計和制作

1、簡易激光擴束器的設計和制作一 實驗目的激光擴束器是激光雷達、激光測距等光學系統(tǒng)中重要的光學部件，在上述系統(tǒng)中一個優(yōu)良的光學系統(tǒng)是決定整個系統(tǒng)性能的關鍵因素之一。因此，理解和設計出一個良好的擴束器成為一種必要。然而擴束器對于在實驗室內(nèi)學習的學生而言卻顯得非常陌生，由于沒有現(xiàn)成的儀器，學生僅從理論上學習它，這在一定程度上限制了學生的知識范圍。實驗系統(tǒng)的搭建不僅能讓學生清楚的理解擴束器的原理，更能讓學生自己動手搭建系統(tǒng)，培養(yǎng)了學生理論聯(lián)系實際，自我動手的能力。圖1 擴束鏡二 實驗原理2.2擴束鏡原理擴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，對于激光加工來說

2、，只有通過擴束鏡的調(diào)節(jié)使激光光束變?yōu)闇手保ㄆ叫校┕馐拍芾镁劢圭R獲得細小的高功率密度光斑；在激光測距中，必須通過擴束鏡最大限度地改善激光的準直度才能得到理想的遠距離測量效果；通過擴束鏡能改變光束直徑以便用于不同的光學儀器設備；擴束鏡配合空間濾光片使用則可以使非對稱光束分布變?yōu)閷ΨQ分布，并使光能量分布更加均勻。圖2 擴束鏡原理圖三 實驗方案及比較3.1棱鏡擴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.棱鏡擴束示意圖如圖1a .每個棱鏡的擴束比為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,則總的擴束比為Mn=Dd=23.5 （3-2）圖3 棱鏡擴束系統(tǒng)若想用3個棱鏡完成擴束比，則每個棱鏡的擴束比應為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，應使得出射光束盡可能垂直于出射面，以使這個出射面反射最小.由幾何學可知，應取棱鏡頂角53°.實際的棱鏡擴束光路如圖1b。和下面的透鏡擴束相比，具有體積小，無象差等優(yōu)點，并同時使入射光方向轉(zhuǎn)了近90

4、°，用在系統(tǒng)光路中即擴展了光束，也使光線方向發(fā)生改變，起到了擴束鏡和反射鏡的雙重作用。3.2雙凸透鏡擴束法設透鏡的焦距為F，物距和象距分別為s01和s02，它們之間的關系為 （3-4）當s01=F時，s02=,說明透鏡焦點上的一個點光源經(jīng)過透鏡后為一平行光；當S02=F時，S01=,表明當入射光為一平行光時，經(jīng)過透鏡后，聚焦在透鏡的焦點上，如圖4所示。圖4透鏡聚光原理利用這一特點，采用兩個焦距不同的透鏡，可以構(gòu)成如圖3所示的擴束和準直系統(tǒng).F1、F2分別為兩個透鏡的焦距，由幾何光學原理很容易得出束寬放大比率為M= （3-5）設激光束直徑為d，光束寬度為D，那么 圖5 擴束系統(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透鏡時屈折得過分利害引起的，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，入射光線的偏轉(zhuǎn)將最小，在圖6b中，只要把透鏡翻轉(zhuǎn)過來，就使球差顯著減小，當入射光是平行光時，對一個簡單的凸透鏡來說，若其后表面幾乎為平面但不完全是平面時，將會有最小的球差。由于光路是可逆的，用兩個透鏡進行擴束時，應使兩個透鏡較平的一面相對，來減小相差。圖6 一個平凸透鏡的球差3.3凹凸透鏡組合擴束法與4.2雙凸透鏡擴束法類似，講入射鏡片換成凹透鏡，兩透鏡間

6、距為R=f1+f2 (3-6)同樣，放大倍率的計算方法同公式（3-5）圖7 凹凸透鏡組合擴束原理圖3.4方案比較與透鏡擴束器相比，棱鏡擴束器具有體積小、擴束比大、損耗低、偏振性好等特點，但是結(jié)構(gòu)較復雜。最通用的透鏡擴束器起源于伽利略望遠鏡，通常包括一個輸入負透鏡和一個輸出正透鏡。輸入鏡將一個虛焦點光束傳送給輸出鏡，兩個透鏡是虛共焦結(jié)構(gòu)。一般小于20倍的擴束鏡都用該原理制造，因為它簡單、體積小、價格也低。它的局限性在于不能容納空間濾波或者進行大倍率的擴束。綜上所述，我們決定主要采用透鏡擴束法中的凹凸透鏡組合進行實驗。同時也采用雙透鏡擴束法進行對比。四 方案實現(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、光屏一個、激光器一臺，搭建透鏡擴束系統(tǒng)。五 調(diào)試過程及結(jié)論5.1擴束系統(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，測量測量激光器發(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直徑進行測量；否則微調(diào)兩片透鏡之間距離，直到移動光屏時光斑大小不再變化。5.2數(shù)據(jù)記錄實驗數(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算出實際放大倍率。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)實驗結(jié)果可以看出，實際放大倍率與理工放大倍率還是有較大差距。在實驗過程中，將透鏡按照理論計算結(jié)果擺放，移動光屏，光斑大小依舊會發(fā)生變化，只有經(jīng)過仔細調(diào)整才能達到標準。這個過程可能會改變擴束系統(tǒng)的放大倍率。另外在測

9、量光斑直徑的過程中，發(fā)現(xiàn)光斑邊緣并不明顯，可能造成測量誤差。但總的來說，使用大倍率的透鏡組依然會產(chǎn)生較大的光斑。六 實驗總結(jié)通過這次實驗，我們將課堂上學習到的知識運用到實際中，對相關知識的理解更加深刻。本次實驗，我們采用了雙凸透鏡和凹凸透鏡組合兩種方案來進行比較。在成像質(zhì)量上兩者并沒有明顯差距。隨著放大倍率的增加，整個擴束系統(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系統(tǒng)的體積。所以在實際的生產(chǎn)生活中，使用最廣泛的是由凹凸透鏡組合而成、類似伽利略望遠鏡的擴束系統(tǒng)。這種擴束系統(tǒng)的特點是成本低、體積小、結(jié)構(gòu)簡單。在實驗中也遇到一些問題。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實驗結(jié)果會不會有影響。通過幾次嘗試，我們認為基本沒有影響，雖然激光束也有一定的發(fā)散角，但幾乎可以認為是平行光。如果將透鏡按照理論計算結(jié)果擺放，我們發(fā)現(xiàn)，移動光屏時光斑大小也會發(fā)生變化，只有仔細調(diào)整兩片透鏡之間的距離，才能保證移動光屏而光斑不發(fā)生變化。我們也嘗試了使用物屏來代替激光束，并在物屏與第一片透鏡之間加一片透鏡，以保證射入擴束系統(tǒng)的是平行光。但由于物屏遮擋了大部分光線，導致光屏上呈現(xiàn)的像不明顯、不利于觀察，所以我們放棄了這種方案。我們也認識到理論和實際的差距，實際中不可能像理論一樣完美，但不能否認理論依據(jù)起到的指向性作用。我們要以理論為依據(jù)，結(jié)合實