基于ZEMAX的二維變焦擴束光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

摘要：針對板條激光器出射光束的尺寸控制問題，設(shè)計了一個在X方向擴束倍率為14 ~ 20x，Y方向擴束倍率為1.25 ~ 1.55x的二維連續(xù)變焦擴束光學(xué)系統(tǒng)。通過對三組元變焦系統(tǒng)的分析，在理論上推導(dǎo)出固定組、變倍組以及補償組之間的運動軌跡。利用ZEMAX對理論值進行優(yōu)化，使系統(tǒng)像差滿足使用要求。該系統(tǒng)工作波長為1064nm,可將尺寸在一定范圍內(nèi)的出射光束擴束整形至35~40mm。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、變焦行程短以及變焦曲線平滑等優(yōu)點。

1 引言

隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，高功率板條固體激光器以其峰值功率高、運行穩(wěn)定以及維護方便等優(yōu)點在民用（如工業(yè)激光材料加工、切割、熱處理、打標）、軍用（如測距、激光雷達、防空）和空間通信等方面展示出重要的應(yīng)用前景。在利用板條激光增益模塊對光束放大的過程中，由熱效應(yīng)導(dǎo)致的應(yīng)力、焦距以及退偏等會使輸出光束發(fā)生波前畸變，嚴重影響了輸出光束的光束質(zhì)量。為補償波前畸變，采用基于自適應(yīng)光學(xué)的光束凈化技術(shù)，利用變形鏡補償光束波前畸變，可顯著提高激光光束質(zhì)量。因為變形鏡的空間分辨率受到限制，為充分利用變形鏡的校正能力，需要使板條激光器的輸出光束尺寸盡量匹配變形鏡的口徑，便于對輸出光束進行波前校正。

傳統(tǒng)的二維擴束系統(tǒng)多為焦距固定，不能對輸出光束尺寸進行實時控制的系統(tǒng)，且對輸出光束寸有嚴格要求，針對以上需求，推導(dǎo)分析了一套能夠?qū)崿F(xiàn) Ｘ、Ｙ兩方向同時變焦擴束的系統(tǒng)，可將尺寸在一定范圍內(nèi)的出射光束，擴束整形為目標要求的尺寸，方便變形鏡對輸出光束的波前進行校正，從而達到優(yōu)化輸出光束的光束質(zhì)量的目的。

２ 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 主要指標要求

二維變焦擴束光學(xué)系統(tǒng)主要技術(shù)指標如表1所示。

表1光學(xué)設(shè)計指標

2.2 設(shè)計原理

變焦擴束系統(tǒng)主要有光學(xué)補償式和機械補償式兩類。光學(xué)補償式系統(tǒng)擴束倍率低、相對孔徑小，且焦距僅是幾個離散值，因而在使用中受到很多限制。相比于光學(xué)補償式系統(tǒng)，機械補償式系統(tǒng)以其擴束倍率大，焦距能在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變，使其得到廣泛使用。

機械補償式系統(tǒng)主要由固定組，變倍組以及補償組三部分組成，依據(jù)補償方式的不同分為正組補償和負組補償，負組補償系統(tǒng)粗而短，二級光譜和球差相比于正組補償系統(tǒng)較大，正組補償系統(tǒng)細而長易于矯正像差。

由設(shè)計目標可知，擴束系統(tǒng)在 Ｘ方向的擴束倍率為14~20x，在Ｙ方向的擴束倍率為1.25～1.55×，且系統(tǒng)工作距離小于1000ｍｍ，由于X方向擴束倍率較大，為了盡可能減小系統(tǒng)工作距離，第一面透鏡先對X方向進行擴束，并將透鏡 １設(shè)置為固定組（便于計算工作距），透鏡2設(shè)置為變倍組，透鏡3設(shè)置為補償組；隨著步進電機的廣泛應(yīng)用，透鏡間距離的控制越來越容易，為了減少系統(tǒng)成本，透鏡 ３即可以作為 Ｘ方向的補償組，又可以作為 Ｙ方向的固定組。設(shè)計時先對X方向進行初始結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化，將優(yōu)化后透鏡3的結(jié)構(gòu)代入Y方向，進行 Ｙ方向初始結(jié)構(gòu)的計算和優(yōu)化，計算和優(yōu)化的過程中透鏡3參數(shù)不鏡3參數(shù)不變，只對透鏡4和透鏡5進行優(yōu)化。（透鏡3為球面鏡，其余為柱面鏡）

圖1. X、Y擴束結(jié)構(gòu)

圖2. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

４ 結(jié) 論

本文設(shè)計出一個適用于板條激光器（λ＝1064nm）擴束整形的二維變焦擴束光學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)共由5個透鏡組成，通過控制透鏡間距可實現(xiàn)兩方向不同倍率的擴束，且變焦曲線平滑，滿足擴束尺寸的同時，在發(fā)散角為0～6 mrad都有較好的像質(zhì)。二維變焦擴束系統(tǒng)相比于定焦擴束系統(tǒng)能使變形鏡波前校正的作用最大化，進而使板條激光器有更好的光束質(zhì)量使其應(yīng)用范圍更為廣泛。

審核編輯：湯梓紅