基于ZEMAX的激光高斯光束匀化设计

第 1期 20 09年 3月

电

光

系

统

No. 1

E e t nc a d E e t— p c lS s ms lcr i n lcr o t a y t o o i e

M a .2 9 r 0o

基于 Z M X的激光高斯光束匀化设计 EA李卫森，吴登喜，董光焰，沈严中国电子科技集团公司第二十七研究所，州 4 0 1郑 50 5摘要：文章基于 Z MA E X光学软件设计一套激光光束匀化光学系统，用于将激光高斯光束转化为平顶光

束。从理论分析人手， Z M X软件环境下，在 E A编写 M c ar o命令，过系统优化，通完成出射激光束光强分布均匀化，足系统设计要求。满 关键词：光光学；激高斯光束；光束匀化；光束整形中图分类号：N 4 T 23文献标识码： A

Ho g n z t n Dein i u sa a e a Tr n f r t n Ba e n ZE AX mo e iai sg n Ga sin L s rBe m a so mai s d o M o oL e—s n,W U D n I W i e e g—x,DONG a g—y n,SHE n i Gu n a N Yaf e27 Re e r h I siu e o h n l cr n c e h oo y s a c n ttt f C ia E e t is T c n lg o

G o pC r oain. h nz o 5 0 5, n ) ru oprt o Z egh u4 0 1 C iaAb t a t Ba e n Z ma ot r a p ia y tm o o g nz in o s rb a i e in d, ih i b e sr c: s d o e x s fwa e, n o tc ls se frh mo e iao fl e e m sd sg e whc sa l at r n fr te Ga s in ls r— tp e ms i t a o ta so m h u sa a e y e b a n o f t— tp o e . l o n s Und rt e Z ma e eo n n io m e t t e e h e x d v lpig e vr n n,h Ma r n tu t n r i e tri g wi n lss o h a s a i g t e r By o t zn e s se, o co isr ci s ae wrt n satn t a a y i ft e be m h p n oy. pi i g t y tm h— o t

h h mi h mo e iao ft e o tu e m n e st iti u in i c e e sr q ie . g nz in o up tb a i tn i dsrb t s a hiv d a e u r d h y o Ke r y wo ds: a e t s L s rOp i;Ga s in Be m;Be m mo e z to c n sa a a Ho g niain;Be m h png a Sai

P为光束中心光强，∞是激光功率下降到 le/

1引言 激光光束整形光学系统用于将入射激光束转换为满足既定要求的光强分布的光束，在激光如雷达、激光通信、激光照明以及激光表面热处理中

处的光束宽度，图 1如所示。

的光束传输控制等诸多领域，目前大多整形方但案所需光学系统复杂且加工难度大，果欠佳。效 二元光学的兴起，光束整形变得相对简单，是使但受加工水平、用环境条件的影响，使二元光学元件的像差和衍射效率仍不尽人意。本文基于光线追迹原理系统具有结构简单、调便利、境适应好装环等优点，对整形用的非球面透镜进行优化分析，实现激光出射光强均匀分布，工程应用中具有一在定的实用价值。 输出平顶光束光斑半径为 S则，,图 1激光光束整形光学系统不惹图

对于式 ( )令：二， R R:一 d 1, d 2,

代人式 ( )得， 1,

(: )

[ 1一。h .2]几

() 2

2激光光束整形的理论分析已知激光器输出光束功率空间满足高斯分布，

B( )=￣ S r H S已知， ( A )= B S,, ()则

() 3

s =

[ 1

() 4

A ()= P警 2 R R e订d

() 1

设平顶光束输出半径为 K, R一∞, 2,当由( )

作者简介：李卫森(9 9一)助理工程师， 17男，研究方向：学系统设计及装调。光

2

电

光

系

统S P1 YS 2,1

第1 期

( )式可得， 3=

() 5

ao at= 1 P WR( 1 3, ) pd fc r o/O (/ ) 2S P1 YS 3,a o fco p d a tr——

将 ( )式代人 ( )式得， 5 4

FOR, 1,s m pe+ l, l I a l

s )=KJ一 -/ ( 1 ex 2 2w 2

()

6

I ERTMFO NS I SETOPERAND,1 I 1,”REAY” S ETOPERAND .9.1 Inor m_

已知输入光束的 X坐标，用 Z MA使 E X优化函数里的 R A E Y操作数，通过 ( ) 6式即可求得对应输出光束的目标值。归一化输入坐标和像面上对应目标值，编写相关的 Mar序， c o程自动生成优化函数并进行镜头优化。

p pl c o d= I a l u i or/s mp e—— _

X: n r p p l e o d￥ W￥3 om u i or

# Un—n r lz d p pi c o d n t o mi e u l o r i ae i

S=K SR ( Q T 1一E P X E(一2 P WR( O x,

3编写 Mar co程序及系统优化3 1输入参数 .已知激光波长 A=10 4 m, .6 束腰半径∞= 5

2/O ) P wR( 2 ) w, ) )# s me a h n le u to n t e atce a st e f a q ai n i h ril i

S T E E OP RAND I .8.一S# s ttr e . P st e i p t# o r i a e h sn g e a g t o ii n u c o d n t a e— va r i f e

m发散角 0= a, m, 8mrd切趾因子：, 9出射光束匀化直径 K= 0m光学系统入瞳 E= 0m 4 m, P 3 m,

# o tu codnt ( oiv e s t s te up t oria e p si ln ) h h te un g tv i n e a i e sg

孑径采样值为 8。要实现激光输入光束的整形设 L 0

计，上述计算公式，成 M c根据完 ar序的编写工 o程作，序流程如图 2所示。程

S ETOP ERAND,7,n r p p l c r I om u i o d— _

# S tP ou n o e o r n e y c l m ft pe a d h

S T P R N,,N U ) E O E A D I 2 S R(# s e i h m a e s ra e f rt e REAY a u p c f te i g u fc o h y v lec lu ai n ac l t o

NEXT OP M I TI ZE UPDAT ALL# Upd t l wi d ws E ae al n o END

3 3光学系统仿真优化结果 .

根据上述

设置，行优化设置，非球面透镜进得光学系统列。如表 l示。所表 1非球面透镜光学参数

图 2系统优化流程图

3 2流程图及源代码 .CLOS EW I NDOW DELETEMFO J AILW= 5

根据非球面方程：

●1/+—+产 ' 0:—￣三 ) t 0++一 l——一L I 3=+i( r+…, —赢k2‘ 2 _—— I=—— —— c’一————— 1O 1 r t8+ m 4 - () 7

K:2 0

求得非球面透镜的非球面面型方程为：Z r:———==二===一0 5 r 1 - =——====== ) (—一U 0 5 z+ . . .十

s mp e= 8 a l 0 SYSP l 1.W 6

总第 17期 2

李卫森，吴登喜，董光焰，沈严：基于 Z MA E X的激光高斯光束匀化设计

3

4 41 O一r 6 4 8× l 4—3 0 7 2× l 6+ 695 O一r.

3230 . 7 9 7×1≈ 8 0 r

() 8

非球面面型为旋转对称偶次非球面， 2—8含 阶非球面系数。由上述设计结果可见，学镜片光外形布局如图 3所示。在镜头出射 l0 m处， O m得到一个半径 2 m的能量分布均匀光， 0m根据仿真数据，光强均匀度分布小于 3。%图 7输出平顶光束三维轮廓曲线

…

’

、

—、

—●■——— 鼍圉

■■ .

一

\~

将上述设计结果导人光线追迹软件 Taer, rcPo

_

_

-

￡L… T I

激光出射高斯光束光强分布曲线如图 8所示。探测靶面光强分布如图 9所示。: 譬

…

…

…

耍瓣

图 3非球面透镜光束整形示意图

已知输入激光光强分布曲线如图 4图 5所示。、

图 4激光输入光束外形轮廓曲线

图 5输入激光三维曲线轮廓

经过光学透镜匀化后，出光束的形状外形输

轮廓曲线如图 6图 7所示。、

I

un E∞

图 1 1k处探测靶面光强分布曲线 0 m

I薯圈 …… 此处隐藏：3605字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……