激光擴束準直的學習

1、高斯光束準直擴束系統(tǒng)設計學習總結 這一段時間學習zygo干涉儀，剪切干涉儀，平行光管都需要用到優(yōu)良的平行光，就涉及到準直擴束問題，現(xiàn)狀激光的崛起，許多光源都改換為激光，因為其具有光能量集中、方向性和單色性好等特點。但是，一方面激光光束既不是平面波，也不是球面波，在穩(wěn)態(tài)凹形激光諧振器中是一種所謂高斯分布的光波；另一面，由于高斯光束的干涉將產(chǎn)生一個附加位相差，在光學干涉儀中需要對激光進行準直擴束，壓縮遠場發(fā)散角的方法來減小因該附加位相差引起的測量誤差。因此，對激光準直擴束光學系統(tǒng)設計不能采取實驗室中常用的倒置望遠鏡系統(tǒng)來達到對激光準直擴束的目的。一、 高斯光束通過光學成像系統(tǒng)的變換定義w(z)為z

2、點的光斑半徑，它是z的函數(shù)，即： wz=w01+zw022 （1）式中： 為激光波長；w0為z=0處的光斑尺寸，稱為光束的“束腰”，束腰位置光束半徑最?。粀0為經(jīng)過單透鏡變換后的高斯光束的束腰半徑；為人射光束的束腰位置到透鏡前焦點的距離，入射光束腰位置在透鏡前焦點前方時為正，否則為負； '為出射光束的束腰位置到透鏡后焦點的距離，出射光束腰位置在透鏡后焦點后方時為正，否則為負。式(2)為像方束腰位置方程，式(3)為像方束腰半徑方程。'=f2 (2+w022) （2）w0'=fw02+2w042 （3）式中：f為透鏡焦距；而w0' 符號由f決定，為負時說明是虛束腰對

3、于一個光學系統(tǒng)，確定了透鏡的幾何焦距后，只能通過改變 和w0來調(diào)節(jié)聚焦后高斯光束的束腰位置和尺寸。在激光擴束中，為了光束在遠場發(fā)散角最小，這就要求w0' 較大。遠場發(fā)散角： （4）最合理減小激光束發(fā)散角的系統(tǒng)是雙鏡組系統(tǒng)，對激光束連續(xù)兩次交換。系統(tǒng)的第一鏡組可以是正的，也可以是負的，負的鏡組能夠得到更緊湊的系統(tǒng)，第二鏡組往往是正的。w02f2f1f21f1w01=w02w01上圖正是使用伽利略型擴束結構，由遠場發(fā)散角（4）式可知，0達到最小，則需要使w02達到最大值，由式（3）可知，2必須為0，并化簡式（3）得：w02'=f2 w02 （5）從（5）可知使w02達到最大值，還可

4、以使f2越大，w02越小。因為2必須為0，故由（2）式可知2也等于0，故在第二鏡組中，物束腰和像束腰都落在透鏡的前后焦點上。由于第一鏡組的像束腰為第二鏡組的物束腰，故w01=w02，為了使w01最小，則從第一鏡組推得1必須越大，f1越小。故從式（2）可知1必然是個很小的值，幾乎接近于0?？梢?，第一鏡組的后焦點與第二鏡組的前焦點不重合，不能用常用的倒置望遠鏡系統(tǒng)來達到對激光準直擴束的目的，存在微小的差異。二、 高斯光束擴束系統(tǒng)的設計激光光源選用thorlabs公司的He-Ne激光器：角發(fā)散性1.3mrad，束腰直徑0.63mm，假定激光器束腰在出射面上，則選用公司庫存的雙凹透鏡6×3.

5、8 f1=-3.1mm做為第一鏡組時，考慮整機結構，選擇1為60mm，1=0.0007mm，w01=-0.002mm可見，其束腰為虛束腰，束腰位置基本也位于第一透鏡的后焦點上，接著按照（5）式為了達到擴束到70mm的光斑，計算f2的焦距為348.45mm。故用zemax模擬一個為70×8 f2=348.45mm的透鏡做為第二鏡組，與第一鏡組組合使用，兩鏡間距為=348.45-3.1=345.35mm左右。波相差PV值為21waves，相比最早設計激光準直的時候直接優(yōu)化使像面上的入射光線平行，其存在嚴重的波相差PV值為71waves。故理論計算的結構可做為初始結構來優(yōu)化一個完美的準直系

6、統(tǒng)。由于變量只有第二鏡組的兩個曲率與變化不得很大的兩組間距，優(yōu)化使70平行光波相差有比較好的效果，存在困難，故必須在第二鏡組引入新的透鏡，兩個雙分離結構來設計并保持第二鏡組的焦距為f2=348.45mm。引入雙分離結構，增加了5個變量，較容易得出比較好的70平行光波相差。 雙分離結構從上圖可以看出0.1視場以內(nèi)基本達到衍射極限，波相差PV值為0.0782waves，基本達到理想的平面波前。其可用來做干涉儀和平行光管里的準直光波。三、 總結激光準直擴束必須保證平行光的波前波相差達到理想平面波前，故對其準直設計時，在理論分析的基礎上選好初始結構，然后進行優(yōu)化設計可以事半功倍。在發(fā)散角不是很大的時候，選擇的結構基本跟導致望遠鏡結構相類似。對擴束倍率較高的時候，物鏡采用雙分離結構，可以達到較好的效果。這些總結都是個人通過文獻學習的理解，難免有不足和誤解，真誠希望有經(jīng)驗的同事能對我做出指導和改善。四、 參考文獻1. 趙延仲，宋豐華，孫華燕。 高斯光束的激光變焦擴束光學系統(tǒng)設計。裝備指揮技術學院學報第18卷第5期 2007.10 2. 蕭澤新。工程光學設計（第二版）。 電子工業(yè)