激光擴(kuò)束準(zhǔn)直的學(xué)習(xí)

1、高斯光束準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)總結(jié) 這一段時(shí)間學(xué)習(xí)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(zhǔn)直擴(kuò)束問(wèn)題，現(xiàn)狀激光的崛起，許多光源都改換為激光，因?yàn)槠渚哂泄饽芰考?、方向性和單色性好等特點(diǎn)。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(gè)附加位相差，在光學(xué)干涉儀中需要對(duì)激光進(jìn)行準(zhǔn)直擴(kuò)束，壓縮遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的方法來(lái)減小因該附加位相差引起的測(cè)量誤差。因此，對(duì)激光準(zhǔn)直擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不能采取實(shí)驗(yàn)室中常用的倒置望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)來(lái)達(dá)到對(duì)激光準(zhǔn)直擴(kuò)束的目的。一、 高斯光束通過(guò)光學(xué)成像系統(tǒng)的變換定義w(z)為z

2、點(diǎn)的光斑半徑，它是z的函數(shù)，即： wz=w01+zw022 （1）式中： 為激光波長(zhǎng)；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小；w0為經(jīng)過(guò)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(diǎn)的距離，入射光束腰位置在透鏡前焦點(diǎn)前方時(shí)為正，否則為負(fù)； '為出射光束的束腰位置到透鏡后焦點(diǎn)的距離，出射光束腰位置在透鏡后焦點(diǎn)后方時(shí)為正，否則為負(fù)。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(hào)由f決定，為負(fù)時(shí)說(shuō)明是虛束腰對(duì)

3、于一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，確定了透鏡的幾何焦距后，只能通過(guò)改變 和w0來(lái)調(diào)節(jié)聚焦后高斯光束的束腰位置和尺寸。在激光擴(kuò)束中，為了光束在遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角最小，這就要求w0' 較大。遠(yuǎn)場(chǎng)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(duì)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(fù)的，負(fù)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(kuò)束結(jié)構(gòu)，由遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角（4）式可知，0達(dá)到最小，則需要使w02達(dá)到最大值，由式（3）可知，2必須為0，并化簡(jiǎn)式（3）得：w02'=f2 w02 （5）從（5）可知使w02達(dá)到最大值，還可

4、以使f2越大，w02越小。因?yàn)?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(diǎn)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(gè)很小的值，幾乎接近于0?？梢?jiàn)，第一鏡組的后焦點(diǎn)與第二鏡組的前焦點(diǎn)不重合，不能用常用的倒置望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)來(lái)達(dá)到對(duì)激光準(zhǔn)直擴(kuò)束的目的，存在微小的差異。二、 高斯光束擴(kuò)束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(kù)存的雙凹透鏡6×3.

5、8 f1=-3.1mm做為第一鏡組時(shí)，考慮整機(jī)結(jié)構(gòu)，選擇1為60mm，1=0.0007mm，w01=-0.002mm可見(jiàn)，其束腰為虛束腰，束腰位置基本也位于第一透鏡的后焦點(diǎn)上，接著按照（5）式為了達(dá)到擴(kuò)束到70mm的光斑，計(jì)算f2的焦距為348.45mm。故用zemax模擬一個(gè)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(shè)計(jì)激光準(zhǔn)直的時(shí)候直接優(yōu)化使像面上的入射光線平行，其存在嚴(yán)重的波相差PV值為71waves。故理論計(jì)算的結(jié)構(gòu)可做為初始結(jié)構(gòu)來(lái)優(yōu)化一個(gè)完美的準(zhǔn)直系

6、統(tǒng)。由于變量只有第二鏡組的兩個(gè)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(gè)雙分離結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)并保持第二鏡組的焦距為f2=348.45mm。引入雙分離結(jié)構(gòu)，增加了5個(gè)變量，較容易得出比較好的70平行光波相差。 雙分離結(jié)構(gòu)從上圖可以看出0.1視場(chǎng)以內(nèi)基本達(dá)到衍射極限，波相差PV值為0.0782waves，基本達(dá)到理想的平面波前。其可用來(lái)做干涉儀和平行光管里的準(zhǔn)直光波。三、 總結(jié)激光準(zhǔn)直擴(kuò)束必須保證平行光的波前波相差達(dá)到理想平面波前，故對(duì)其準(zhǔn)直設(shè)計(jì)時(shí)，在理論分析的基礎(chǔ)上選好初始結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可以事半功倍。在發(fā)散角不是很大的時(shí)候，選擇的結(jié)構(gòu)基本跟導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)相類似。對(duì)擴(kuò)束倍率較高的時(shí)候，物鏡采用雙分離結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到較好的效果。這些總結(jié)都是個(gè)人通過(guò)文獻(xiàn)學(xué)習(xí)的理解，難免有不足和誤解，真誠(chéng)希望有經(jīng)驗(yàn)的同事能對(duì)我做出指導(dǎo)和改善。四、 參考文獻(xiàn)1. 趙延仲，宋豐華，孫華燕。 高斯光束的激光變焦擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)第18卷第5期 2007.10 2. 蕭澤新。工程光學(xué)設(shè)計(jì)（第二版）。 電子工業(yè)