1、激光光束整形光学系统像差分析与评价学院：机电学院专业：测控技术与仪器年级：2008姓名：杨涵学号：0811212030指导老师：叶瑞芳时间：2011/01/06开题报告- 1 -激光光束整形光学系统像差分析与评价1： 选题依据1.1 选题目的与研究意义在激光技术的许多应用领域中, 光束质量至关重要。激光材料加工, 光学信息处理、存储和记录,激光的医学临床应用等领域, 都对光束质量有较高的要求。在很多应用中, 希望激光束是均匀分布。因此, 对激光光束进行整形变得尤为重要, 由此产生了多种激光光束整形技术。近年来, 激光光束整形技术成为研究的热点。迄今已经发展了多种激光束空间整形技术, 有些技术已
2、经成功地应用到固体激光器和气体激光器的光束整形中, 输出光束质量较以前有很大提高。其中, 激光扩束镜元件以其强大的功能在光束空间整形上将有着广泛的应用前景。如何得到能量利用率高、均匀化程度好的光束将是空间整形技术的发展目标。目前, 激光束空间整形的研究继续向纵深发展, 随着计算机模拟、设计手段进一步完善, 将会出现更有效的空间整形技术和器件。光学系统像差的分析是反应该光束整形系统优良性质的依据，在整个光束整形技术中起着重要作用。1.2 国内外研究现状激光束整形技术通常是指改变入射激光束的强度分布为所需要的强度分布,同时调整它的相位分布以控制其传播特性。最常用的光束整形技术是激光束匀滑技术,即将
3、 激光束的强度整形为均匀分布。最初人们常用光阑从扩束准直的激光束中提取需要的光场分布 ,这种靠光阑拦截来获得均匀光强分布的方法使得能量损失严重。1965年 ,Frieden 提出了最早的无能量损失的相位型光束整形系统,将高斯光束整形为均匀光束。此后的十多年间 ,由于设计手段和制作工艺的限制,光束整形技术进展缓慢。直到八十年代 ,人们具备了实际加工、制作及分析和检测光束整形器件的能力后 ,该项技术才得到了快速发展。- 2 -近年来 ,由于一些特殊领域的需要,光束整形技术已经成为研究的热点。从2000年起 ,国际光学学会(SPIE)连续八年设立光束整形学术专题 ,研究人员发表了大量相关方面的文献。
4、使得光束整形技术在基础理论、优化设计方法 ,以及实际应用等方面均有明显地进展。Frieden提出的光束整形系统基于几何光学原理,采用两个非球面透镜结构。该系统结构简单,理论上可实现任意波前变换。此后,研究人员又提出了一些改进系统。例如双反射镜光束整形系统,渐变折射率透镜光束整形系统等 。上述系统对单模激光束整形效果好。但很多情况下,激光器发射多模激光束,其强度分布复杂 , 甚至随时间变化。Dickey 等人提出的微透镜阵列整形系统很好的解决了多模激光束的整形问题。他们依靠光束的分割和子束的叠加达到整形目的,消除了入射激光光强分布不均匀的影响。但该方法也存在一些缺陷,比如子束的叠加会在靶面产生干
5、涉斑纹,影响整形质量。衍射光学元件diffractive optical elements DOE 具有许多传统光学元件不具备的特点。例如它薄而轻,有利于促进 系统的小型化、阵列化和集成化。自 20 世纪 80 年代以来得 到了广泛关注。衍射光学元件具有较高的衍射效率(仅对纯 相位元件而言) ,能够实现任意的波面变换 ,在光束整形方面 有着广泛的研究前景。以上几种整形方法都是针对特定的光束参数设计的。通常情况下,我们希望系统具有更好的通用性 ,即系统的透过率能够根据光束参数的变化而调整。美国劳伦兹利弗莫尔国家实验室提出了双折射透镜组整形系统很好的解决了这个问题。他们的系统可以通过转动双折射透镜
6、主轴方向来调整系统的透过率。一种更为灵活的光束整形器件是液晶空间光调制器 ,它可以通过计算机来实时控制系统的透过率 ,也被称为可编程的光电型衍射光学元件。还有一种比较特殊的光束变换器件是圆锥镜（Axicon)。它能将入射平面波整形为锥面波 ,可以无衍射 (Non-diffractive) 的传播很远的距离。这里所说的无衍射是指中心光斑尺寸不随传播距离的增加而扩大。这种无衍射光束在工程技术中有重要应用。而且圆锥镜与其它元件结合,还可实现多种整形方面的要求。- 3 -2：设计的目标与方案2.1 设计的主要内容（1）基于轴棱锥构建激光光束整形变换系统。a、激光扩束镜的选定与各种参数的设计，依据现有的
7、公式，设计两个透镜 的焦距、材料、厚度、曲率半径、高度、最大入射光束直径与最大出射 光束直径，加入不同激光光源对整个系统的影响问题作出相应的设计;b、轴棱锥的材料确定，底角的设计，入射光束半径的选择控制，针对不同入射光束的强度、角度、波长等，作出不同的优化设计。（2）对整形光学系统进行像差分析，并优化。依据所学知识以及查阅文献，对设计出来的光学系统进行检测、优化。a、在不同的激光光源不同时，整个光学系统的像差如何变化，怎样优化；b、在不同的扩束器参数下，如透镜的材料、焦距、曲率半径、相隔距离变 化时，系统的性能变化情况c、在选择不同底角轴棱锥时，最后呈现的像差分布，以及如何消除优化d、当入射光
8、束以不同的入射角度入射时，系统的像差如何分布e、当选择轴棱锥为负棱锥时，系统的像差分布有如何变化，怎么进行优化f、综合以上各种情况，发现内在规律，寻找最佳设计方案，达到最后的最 优设计。- 4 -2.2 拟解决的关键问题（1）首先有确定一个较为合理的实验系统，并对其进行优化修改。其中包括激光光源的选定（不同光源有不同的特性），激光光束扩束器的设计（透镜的材料、曲率半径和焦距），轴棱锥的设计（材料、底角）（2）其次利用 ZEMAX 光学设计软件对光学系统进行仿真，在改变各光学元件性能参数时，对整个光学系统的像差进行分析、评定和优化。（3）最后在改进各光学元件参数之后，得到不同的像差分析报告，依据
9、此报告进行最优设计，确定最佳方案。 2.3 主要研究方法与路线A用轴棱锥搭建光学系统轴棱锥是一种特殊的光束转化器件，它能将入射平面波整形为锥面波 ,可以无衍射 ( non-diffractive) 的传播很远的距离。这里所说的无衍射是指中心光斑尺寸不随传播距离的增加而扩大。依据阶变折射率轴棱锥产生局域空心光束的方案来设计光学系统，搭建一个可以得到在空间均匀分布的整形光束，在对所得结果进行像差分析，调整光学元件参数，最终得到理想的光束。B通过改变光学元件各个的参数，针对不同的情况得到的系统像差分布结果,运用相应的方法进行优化消除，如：a、在不同的激光光源不同时，整个光学系统的像差如何变化，怎样优
10、化b、在不同的扩束器参数下，如透镜的材料、焦距、曲率半径、相隔距离变 化时，系统的性能变化情况c、在选择不同底角轴棱锥时，最后呈现的像差分布，以及如何消除优化d、当入射光束以不同的入射角度入射时，系统的像差如何分布- 5 -e、当选择轴棱锥为负棱锥时，系统的像差分布有如何变化，怎么进行优化f、综合以上各种情况，发现内在规律，寻找最佳设计方案，达到最后的最 优设计。C最终通过ZEMAX仿真软件，针对上述设计方案变换，进行仿真，对系统激光光束性能分析、评价。3：设计的特色与创新点轴棱锥能将入射平面波整形为锥面波 ,可以无衍射 ( non-diffractive) 的传播很远的距离。无衍射是指中心光
11、斑尺寸不随传播距离的增加而扩大。这种无衍射光束在工程技术中有重要应用。而且圆锥镜与其它元件结合,还可实现多种整形种整形方面的要求。改变的光学元件参数多，可以得到连续全面的分析报告，对系统的不同状况进行考虑，更加全面分析系统像差，通过多种实验方案的比对，达到最优设计的目的。4：预期成果及形式A. 自行设计光学系统，确定一下内容：激光光源的选定（He-Ne 激光源、CO2 激光源、N2 分子激光源）激光光束扩束镜的设计（透镜的材料、厚度、曲率半径和焦距）- 6 -通光孔径设计（不同的直径通光孔径）轴棱锥的设计（材料、底角、入射光束直径）B. 设计出最佳优化方案，使入射的激光光束可以呈均匀分布，并对
12、系统像差进行分析与评价，最后生成系统报告。5：进度安排12 周 查阅相关资料，学习 ZEMAX 软件； 34 周 翻译英文材料； 56 周 理解任务要求，学习像差理论知识，并继续查阅相关资料78 周 完成主要元件参数设定912 周 对整个光束整形系统光路进行设计，分析像差问题1314 周 光路优化及评价1416 周 撰写论文，准备答辩6：参考文献1李晓彤,芩兆丰.几何光学像差光学设计 M.浙江大学出版社.2003.2黄一帆,李林.光学设计教程 M.北京理工大学出版社.2009.3胡家升.光学工程导论M.大连理工大学出版社.2002.4李卫森,吴登喜,董光焰. 基于 ZEMAX 的激光高斯光束匀化设计 J.电光系统,2009，3(1):1-45唐勇,李玉瑶.ZEMAX 在光学设计外形尺寸计算中的应用J.长春理工大学学报(自然科学版),2009,32(2):193-1966萧泽新,安连生.工程光学设计 .电子工业出版社.2008.7郁道银,谈恒英.工程光学 .机械工程出版社.2006
