二維光束整形系統(tǒng)設(shè)計與仿真

于陶然,王 超,張宇碟,劉 洋,唐曉軍

(固體激光技術(shù)重點實驗室,北京 100015)

?

·光學(xué)技術(shù)·

二維光束整形系統(tǒng)設(shè)計與仿真

于陶然,王 超,張宇碟,劉 洋,唐曉軍

(固體激光技術(shù)重點實驗室,北京 100015)

針對高功率板條激光波前矯正的需要,基于ZEMAX軟件對二維光束擴束整形系統(tǒng)進行設(shè)計和仿真。系統(tǒng)將初始尺寸為2.5 mm×28 mm,發(fā)散角為7 mrad×2 mrad矩形光束擴束整形為尺寸為40 mm×40.2 mm,發(fā)散角為0.54 mrad×1.3 mrad的方形光束。光束整形方向輸出光學(xué)傳遞函數(shù)接近衍射極限,光束整形方向視場10 mrad時,兩方向引入波像差之和為0.0186λ,P-V值小于0.1λ。

二維光束擴束整形；光學(xué)傳遞函數(shù)；P-V

1 引 言

隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展,高功率板條激光器以其峰值功率高、結(jié)構(gòu)緊湊等特點,在民用(如工業(yè)激光材料加工、切割、熱處理、打標(biāo))、軍用(如測距、激光雷達、光電對抗)和空間通信等方面展示出重要的應(yīng)用前景[1]。為了配合板條對光束進行放大,要先將圓形種子光束擴束成長條橢圓光束,之后經(jīng)過一矩形光闌將光束截成矩形,在板條激光器對光束放大的過程中,由于熱透鏡等效應(yīng)會使光束發(fā)生波前畸變,所以要用自適應(yīng)調(diào)整鏡對光束進行波前矯正[2],而在其輸出端口,矩形光束不利于光束的波前矯正,為了得到光束質(zhì)量較好的光斑,要將其擴束整形成方形光束,并減小其兩個方向的發(fā)散角,從而利于光束的波前矯正。

常用的擴束系統(tǒng)[3]主要有反射式和折射式,反射式擴束系統(tǒng)中光束被一組拋物鏡面反射后擴束,光能量吸收損耗少,擴束系統(tǒng)熱形變小,但是離軸拋物面加工困難、裝調(diào)復(fù)雜,離軸反射式擴束系統(tǒng)沒有得到廣泛應(yīng)用。折射式擴束系統(tǒng)多由透鏡構(gòu)成,與反射式相比,折射式擴束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,加工方便且裝調(diào)容易,所以采用折射式擴束系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計與仿真

2.1 擴束整形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇

折射式擴束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要有兩種,分別是開普勒式和伽利略式,如圖1所示。

對于高功率光束,伽利略式系統(tǒng)可有效避免空氣擊穿現(xiàn)象,避免光束聚焦對鏡片膜層和機械結(jié)構(gòu)造成的影響,且伽利略系統(tǒng)能有效縮短工作距離,因伽利略式系統(tǒng)能有效補償像差,所以消像差難度也比開普勒式系統(tǒng)小,所以系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)采用伽利略式。

圖1 折射式擴束系統(tǒng)的兩種結(jié)構(gòu)

2.2 擴束整形系統(tǒng)設(shè)計過程

2.2.1 設(shè)計要求

(1)將尺寸為x=2.5 mm,y=28 mm,發(fā)散角為7 mrad×2 mrad的矩形形光束整形成尺寸為x=y=39～41 mm,發(fā)散角均小于1.5 mrad的方形光束；

(2)系統(tǒng)引入的波像差小于0.1λ；

(3)系統(tǒng)工作距控制在800 mm以內(nèi)。

2.2.2 設(shè)計過程

根據(jù)現(xiàn)有的光束整形理論,對擴束系統(tǒng)進行設(shè)計[4-6],由設(shè)計要求可知,x方向的擴束的倍率為16×,y方向的擴束的倍率為1.43×,且擴束整形系統(tǒng)要將光束的兩個方向同時擴束準(zhǔn)直,為了設(shè)計方便,將兩個方向分開設(shè)計。考慮到x方向的擴束的倍率較大,為了節(jié)省空間,先對y方向進行設(shè)計。

實驗要求透鏡材料應(yīng)耐高溫,透過率高,且適用于波長為1.064 μm的單色光。常用的兩種材料為K9和石英,透過率分別為99%和92%,在溫度20～120 ℃時的熱膨脹系數(shù)分別為76×10-7℃-1和5.5×10-7℃-1?？紤]到擴束光束功率較高,且透過率可通過鍍增透膜得到改善,所以透鏡材料選用石英。

(1)y方向的設(shè)計過程

y方向的擴束的倍率為1.43×,為了加工方便,透鏡的曲率不能太小,所以將透鏡1和透鏡2的初始焦距分別設(shè)為-100 mm和143 mm,如圖2(a)所示,在ZEMAX中輸入初始結(jié)構(gòu),并進行優(yōu)化。為了節(jié)約透鏡成本,所用透鏡均為平凹或平凸結(jié)構(gòu)。為了便于評價成像質(zhì)量,在透鏡組后加入焦距為100 mm 的理想透鏡。打開系統(tǒng)波前圖和調(diào)制傳遞函數(shù),查看初始結(jié)構(gòu)的像質(zhì)評價,分別將兩透鏡的曲面,透鏡間的距離以及透鏡的厚度設(shè)為變量,并用REAY操作數(shù)控制出射光束大小,用TTHI及OPLT操作數(shù)控制透鏡間距,用SPHA等操作數(shù)控制系統(tǒng)像差。優(yōu)化過程中,球面鏡的波像差不能滿足設(shè)計要求,因引入非球面可消除球差、像散等像差[7],所以將平凸透鏡的曲面設(shè)為非球面進行優(yōu)化,優(yōu)化所得的系統(tǒng)在0視場能滿足要求,但1視場不能滿足要求,繼而將平凹透鏡的曲面也設(shè)置成非球面,繼續(xù)優(yōu)化,直至系統(tǒng)符合設(shè)計要求。

(2)x方向的設(shè)計過程

為了節(jié)約成本,設(shè)計時x方向和y方向的擴束鏡選用同一透鏡[8]。設(shè)計過程中將透鏡2設(shè)置為等厚的平面玻璃。由于工作距離限制在800 mm以內(nèi),而透鏡1并不能將x方向的光束完全擴開,所以在透鏡2后加入平凹透鏡3對x方向的光束進行再擴束,并用透鏡4進行準(zhǔn)直，如圖2(b)所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)

2.3 設(shè)計結(jié)果及像質(zhì)評價

優(yōu)化后的系統(tǒng)數(shù)據(jù)如表1所示。

擴束系統(tǒng)屬于小像差系統(tǒng)[9],由ZEMAX仿真可得x、y兩方向不同視場時的波像差(如表2所示),系統(tǒng)中心視場的PV值優(yōu)于λ/50,0.7視場的PV值優(yōu)于λ/20,1視場的PV值優(yōu)于λ/10,且兩方向各視場的調(diào)制傳遞函數(shù)(如圖3所示)都趨近于衍射極限。

表1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)

圖3 光學(xué)傳遞函數(shù)

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

2.4 擴束整形效果仿真

系統(tǒng)共由四面透鏡組成,總長680 mm,其中透鏡1為尺寸φ=40 mm的非球面鏡,透鏡2為尺寸 60 mm×60 mm 的柱面鏡,透鏡3為尺寸12 mm×60 mm 的柱面鏡,透鏡4為尺寸60 mm×60 mm的柱面鏡。

在序列模式下,按照上述參數(shù)設(shè)置好透鏡參數(shù),然后單擊Tools→Miscellaneous→Convert·NSC提取透鏡模型(如圖4所示),并轉(zhuǎn)換到非序列模式,并在系統(tǒng)后設(shè)置光線追跡檢測器,進而對擴束整形系統(tǒng)進行實際效果仿真[10]。為了查看整形后光束遠場效果,在系統(tǒng)后放置1 m透鏡。

圖4 系統(tǒng)模型

由仿真結(jié)果(如圖5所示)可得,擴束整形后光束的尺寸為x=40 mm,y=40.148 mm,且擴束整形前和擴束整形后光束的發(fā)散角得到很好的準(zhǔn)直。

圖5 光束整形效果對比

表3 理論發(fā)散角與仿真發(fā)散角

3 結(jié) 論

文章對二維光束擴束整形系統(tǒng)進行仿真,仿真結(jié)果滿足設(shè)計要求。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,易于加工裝調(diào),通過一個非球面鏡和三個柱透鏡的合理使用,有效節(jié)省了空間長度。系統(tǒng)總長為680 mm,使出射光束尺寸符合要求的同時也準(zhǔn)直了光束兩方向的發(fā)散角,為光束的波前矯正打下基礎(chǔ)。

[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)

周壽桓,趙鴻,唐曉軍.高平均功率全固態(tài)激光器[J].中國激光,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)

樊麗娜,朱愛敏,劉琳,等.激光擴束望遠鏡的光學(xué)設(shè)計[J].紅外,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)

張宇碟,王剛,王文濤,等.一維光束整形系統(tǒng)仿真及實驗技術(shù)研究[J].激光與紅外,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,王鵬,王占山.高倍率及大孔徑擴束器的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J].中國激光,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,袁立銀,李瑋瑋,等.φ0300激光擴束器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J].光子學(xué)報,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)

茍志勇,王江,王楚,等.非球面光學(xué)設(shè)計技術(shù)綜述[J].激光雜質(zhì),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,劉文勁,等.一種條形像散光束整形與準(zhǔn)直裝置[P].中國專利,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)

林曉陽.光學(xué)設(shè)計超級學(xué)習(xí)手冊[M].北京：人民郵電出版社,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，碩士研究生，主要研究方向為高功率固體激光技術(shù),光學(xué)設(shè)計。E-mail：woyutaoran@163.com

2015-04-14

TN249

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.11.015