二维光束整形系统设计与仿真

于陶然,王 超,张宇碟,刘 洋,唐晓军

(固体激光技术重点实验室,北京 100015)



·光学技术·

二维光束整形系统设计与仿真

于陶然,王 超,张宇碟,刘 洋,唐晓军

(固体激光技术重点实验室,北京 100015)

针对高功率板条激光波前矫正的需要,基于ZEMAX软件对二维光束扩束整形系统进行设计和仿真。系统将初始尺寸为2.5 mm×28 mm,发散角为7 mrad×2 mrad矩形光束扩束整形为尺寸为40 mm×40.2 mm,发散角为0.54 mrad×1.3 mrad的方形光束。光束整形方向输出光学传递函数接近衍射极限,光束整形方向视场10 mrad时,两方向引入波像差之和为0.0186λ,P-V值小于0.1λ。

二维光束扩束整形；光学传递函数；P-V

1 引 言

随着激光技术的不断发展,高功率板条激光器以其峰值功率高、结构紧凑等特点,在民用(如工业激光材料加工、切割、热处理、打标)、军用(如测距、激光雷达、光电对抗)和空间通信等方面展示出重要的应用前景[1]。为了配合板条对光束进行放大,要先将圆形种子光束扩束成长条椭圆光束,之后经过一矩形光阑将光束截成矩形,在板条激光器对光束放大的过程中,由于热透镜等效应会使光束发生波前畸变,所以要用自适应调整镜对光束进行波前矫正[2],而在其输出端口,矩形光束不利于光束的波前矫正,为了得到光束质量较好的光斑,要将其扩束整形成方形光束,并减小其两个方向的发散角,从而利于光束的波前矫正。

常用的扩束系统[3]主要有反射式和折射式,反射式扩束系统中光束被一组抛物镜面反射后扩束,光能量吸收损耗少,扩束系统热形变小,但是离轴抛物面加工困难、装调复杂,离轴反射式扩束系统没有得到广泛应用。折射式扩束系统多由透镜构成,与反射式相比,折射式扩束系统结构简单,加工方便且装调容易,所以采用折射式扩束系统。

2 系统设计与仿真

2.1 扩束整形系统结构选择

折射式扩束系统的结构主要有两种,分别是开普勒式和伽利略式,如图1所示。

对于高功率光束,伽利略式系统可有效避免空气击穿现象,避免光束聚焦对镜片膜层和机械结构造成的影响,且伽利略系统能有效缩短工作距离,因伽利略式系统能有效补偿像差,所以消像差难度也比开普勒式系统小,所以系统的结构采用伽利略式。

图1 折射式扩束系统的两种结构

2.2 扩束整形系统设计过程

2.2.1 设计要求

(1)将尺寸为x=2.5 mm,y=28 mm,发散角为7 mrad×2 mrad的矩形形光束整形成尺寸为x=y=39～41 mm,发散角均小于1.5 mrad的方形光束；

(2)系统引入的波像差小于0.1λ；

(3)系统工作距控制在800 mm以内。

2.2.2 设计过程

根据现有的光束整形理论,对扩束系统进行设计[4-6],由设计要求可知,x方向的扩束的倍率为16×,y方向的扩束的倍率为1.43×,且扩束整形系统要将光束的两个方向同时扩束准直,为了设计方便,将两个方向分开设计。考虑到x方向的扩束的倍率较大,为了节省空间,先对y方向进行设计。

实验要求透镜材料应耐高温,透过率高,且适用于波长为1.064 μm的单色光。常用的两种材料为K9和石英,透过率分别为99%和92%,在温度20～120 ℃时的热膨胀系数分别为76×10-7℃-1和5.5×10-7℃-1。考虑到扩束光束功率较高,且透过率可通过镀增透膜得到改善,所以透镜材料选用石英。

(1)y方向的设计过程

y方向的扩束的倍率为1.43×,为了加工方便,透镜的曲率不能太小,所以将透镜1和透镜2的初始焦距分别设为-100 mm和143 mm,如图2(a)所示,在ZEMAX中输入初始结构,并进行优化。为了节约透镜成本,所用透镜均为平凹或平凸结构。为了便于评价成像质量,在透镜组后加入焦距为100 mm 的理想透镜。打开系统波前图和调制传递函数,查看初始结构的像质评价,分别将两透镜的曲面,透镜间的距离以及透镜的厚度设为变量,并用REAY操作数控制出射光束大小,用TTHI及OPLT操作数控制透镜间距,用SPHA等操作数控制系统像差。优化过程中,球面镜的波像差不能满足设计要求,因引入非球面可消除球差、像散等像差[7],所以将平凸透镜的曲面设为非球面进行优化,优化所得的系统在0视场能满足要求,但1视场不能满足要求,继而将平凹透镜的曲面也设置成非球面,继续优化,直至系统符合设计要求。

(2)x方向的设计过程

为了节约成本,设计时x方向和y方向的扩束镜选用同一透镜[8]。设计过程中将透镜2设置为等厚的平面玻璃。由于工作距离限制在800 mm以内,而透镜1并不能将x方向的光束完全扩开,所以在透镜2后加入平凹透镜3对x方向的光束进行再扩束,并用透镜4进行准直，如图2(b)所示。

图2 系统设计结构

2.3 设计结果及像质评价

优化后的系统数据如表1所示。

扩束系统属于小像差系统[9],由ZEMAX仿真可得x、y两方向不同视场时的波像差(如表2所示),系统中心视场的PV值优于λ/50,0.7视场的PV值优于λ/20,1视场的PV值优于λ/10,且两方向各视场的调制传递函数(如图3所示)都趋近于衍射极限。

表1 系统数据

图3 光学传递函数

方向不同视场的波像差0mrad±3．5mrad±5mradx0．0004λ0．0004λ0．0007λy0．0062λ0．0078λ0．0179λx+y0．0066λ0．0082λ0．0186λ

2.4 扩束整形效果仿真

系统共由四面透镜组成,总长680 mm,其中透镜1为尺寸φ=40 mm的非球面镜,透镜2为尺寸 60 mm×60 mm 的柱面镜,透镜3为尺寸12 mm×60 mm 的柱面镜,透镜4为尺寸60 mm×60 mm的柱面镜。

在序列模式下,按照上述参数设置好透镜参数,然后单击Tools→Miscellaneous→Convert·NSC提取透镜模型(如图4所示),并转换到非序列模式,并在系统后设置光线追迹检测器,进而对扩束整形系统进行实际效果仿真[10]。为了查看整形后光束远场效果,在系统后放置1 m透镜。

图4 系统模型

由仿真结果(如图5所示)可得,扩束整形后光束的尺寸为x=40 mm,y=40.148 mm,且扩束整形前和扩束整形后光束的发散角得到很好的准直。

图5 光束整形效果对比

表3 理论发散角与仿真发散角

3 结 论

文章对二维光束扩束整形系统进行仿真,仿真结果满足设计要求。系统结构简单,易于加工装调,通过一个非球面镜和三个柱透镜的合理使用,有效节省了空间长度。系统总长为680 mm,使出射光束尺寸符合要求的同时也准直了光束两方向的发散角,为光束的波前矫正打下基础。

[1] ZHOU Shouhuan,ZHAO Hong,TANG Xiaojun.High average power laser diode pumped solid-state laser[J].Chinese Journal of Lasers,2009,36(7):1605-1618.(in Chinese)

周寿桓,赵鸿,唐晓军.高平均功率全固态激光器[J].中国激光,2009,36(7):1605-1618.

[2] Erlan S Bliss,J Raymond Smith,Richard L Miller.New application and designs for deformable mirrors[C].SPIE,1988,0874.

[3] FAN Lina,ZHU Aimin,LIU Lin,et al.Optical design of laser beam expanding telescope[J].Infrared,2007,28(8):20-22.(in Chinese)

樊丽娜,朱爱敏,刘琳,等.激光扩束望远镜的光学设计[J].红外,2007,28(8):20-22.

[4] ZHANG Yudie,WANG Gang,WANG Wentao,et al.Research on one-dimensional beam shaping system simulation and experiment[J].Laser & Infrared,2014,44(11):1248-1252.(in Chinese)

张宇碟,王刚,王文涛,等.一维光束整形系统仿真及实验技术研究[J].激光与红外,2014,44(11):1248-1252.

[5] HAO Peiming,WANG Peng,WANG Zhanshan.Lens design for high power and wide-aperture beam expander[J].Chinese Journal of Laser,2003,30(6):494-496.in Chinese)

郝沛明,王鹏,王占山.高倍率及大孔径扩束器的光学系统设计[J].中国激光,2003,30(6):494-496.

[6] HAO Peiming,YUAN Liyin,LI Weiwei,et al.Design of optical system forφ0300 laser bearn expander[J].Acta Photonica Sinica,2006,35(6):850-853.(in Chinese)

郝沛明,袁立银,李玮玮,等.φ0300激光扩束器光学系统设计[J].光子学报,2006,35(6)：850-853.

[7] GOU Zhiyong,WANG Jiang,WANG Chu,et al.The summary of aspheric optical design technology[J].Laser Journal,2006,27(3):1-2.(in Chinese)

苟志勇,王江,王楚,等.非球面光学设计技术综述[J].激光杂质,2006,27(3):1-2.

[8] YAN Hu,LEI Xiang,LIU Wenjin,et al.A bar astigmatic beam shaping and collimating device[P].Chinese patent,2012,CN102621694A.(in Chinese)

晏虎,雷翔,刘文劲,等.一种条形像散光束整形与准直装置[P].中国专利,2012,CN102621694A.

[9] Milton Laikin.Lens Design[M].Abingdon:Taylor & Francis,2007:208.

[10]LIN Xiaoyang.Super learning manual of optical design[M].Beijing:Posts & Telecom Press,2014.(in Chinese)

林晓阳.光学设计超级学习手册[M].北京：人民邮电出版社,2014.

Design and simulation of two-dimensional beam shaping system

YU Tao-ran,WANG Chao,ZHANG Yu-die,LIU Yang,TANG Xiao-jun

(Science and Technology on Solid-state Laser Laboratory,Beijing 100015,China)

For the requirement of wavefront correction of high power slab laser,two-dimensional beam expander shaping system is simulated by ZEMAX software.A rectangle beam of the initial size 2.5 mm×28 mm and divergence angle 7 mrad×2 mrad was expanded and shaped into a square beam with a size of 40 mm×40.2 mm and divergence angle of 0.54 mrad×1.3 mrad.Optical transfer function of the output light in beam shaping direction is close to the diffraction limit.When the beam shaping field is 10 mrad,the wave aberration is 0.0186λandP-Vvalue changes less than 0.1λ.

two-dimensional beam expander shaping;optical transfer function;P-V

1001-5078(2015)11-1360-04

于陶然(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向为高功率固体激光技术,光学设计。E-mail：woyutaoran@163.com

2015-04-14

TN249

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.11.015