基于ZEMAX的二维变焦扩束光学系统设计

摘要：针对板条激光器出射光束的尺寸控制问题，设计了一个在X方向扩束倍率为14 ~ 20x，Y方向扩束倍率为1.25 ~ 1.55x的二维连续变焦扩束光学系统。通过对三组元变焦系统的分析，在理论上推导出固定组、变倍组以及补偿组之间的运动轨迹。利用ZEMAX对理论值进行优化，使系统像差满足使用要求。该系统工作波长为1064nm,可将尺寸在一定范围内的出射光束扩束整形至35~40mm。该系统具有结构简单、变焦行程短以及变焦曲线平滑等优点。

1 引言

随着激光技术的不断发展，高功率板条固体激光器以其峰值功率高、运行稳定以及维护方便等优点在民用（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、防空）和空间通信等方面展示出重要的应用前景。在利用板条激光增益模块对光束放大的过程中，由热效应导致的应力、焦距以及退偏等会使输出光束发生波前畸变，严重影响了输出光束的光束质量。为补偿波前畸变，采用基于自适应光学的光束净化技术，利用变形镜补偿光束波前畸变，可显著提高激光光束质量。因为变形镜的空间分辨率受到限制，为充分利用变形镜的校正能力，需要使板条激光器的输出光束尺寸尽量匹配变形镜的口径，便于对输出光束进行波前校正。

传统的二维扩束系统多为焦距固定，不能对输出光束尺寸进行实时控制的系统，且对输出光束寸有严格要求，针对以上需求，推导分析了一套能够实现 Ｘ、Ｙ两方向同时变焦扩束的系统，可将尺寸在一定范围内的出射光束，扩束整形为目标要求的尺寸，方便变形镜对输出光束的波前进行校正，从而达到优化输出光束的光束质量的目的。

２ 光学系统设计

2.1 主要指标要求

二维变焦扩束光学系统主要技术指标如表1所示。

表1光学设计指标

2.2 设计原理

变焦扩束系统主要有光学补偿式和机械补偿式两类。光学补偿式系统扩束倍率低、相对孔径小，且焦距仅是几个离散值，因而在使用中受到很多限制。相比于光学补偿式系统，机械补偿式系统以其扩束倍率大，焦距能在一定范围内连续改变，使其得到广泛使用。

机械补偿式系统主要由固定组，变倍组以及补偿组三部分组成，依据补偿方式的不同分为正组补偿和负组补偿，负组补偿系统粗而短，二级光谱和球差相比于正组补偿系统较大，正组补偿系统细而长易于矫正像差。

由设计目标可知，扩束系统在 Ｘ方向的扩束倍率为14~20x，在Ｙ方向的扩束倍率为1.25～1.55×，且系统工作距离小于1000ｍｍ，由于X方向扩束倍率较大，为了尽可能减小系统工作距离，第一面透镜先对X方向进行扩束，并将透镜 １设置为固定组（便于计算工作距），透镜2设置为变倍组，透镜3设置为补偿组；随着步进电机的广泛应用，透镜间距离的控制越来越容易，为了减少系统成本，透镜 ３即可以作为 Ｘ方向的补偿组，又可以作为 Ｙ方向的固定组。设计时先对X方向进行初始结构设计和优化，将优化后透镜3的结构代入Y方向，进行 Ｙ方向初始结构的计算和优化，计算和优化的过程中透镜3参数不镜3参数不变，只对透镜4和透镜5进行优化。（透镜3为球面镜，其余为柱面镜）

图1. X、Y扩束结构

图2. 系统结构模型

４ 结 论

本文设计出一个适用于板条激光器（λ＝1064nm）扩束整形的二维变焦扩束光学系统。系统共由5个透镜组成，通过控制透镜间距可实现两方向不同倍率的扩束，且变焦曲线平滑，满足扩束尺寸的同时，在发散角为0～6 mrad都有较好的像质。二维变焦扩束系统相比于定焦扩束系统能使变形镜波前校正的作用最大化，进而使板条激光器有更好的光束质量使其应用范围更为广泛。

审核编辑：汤梓红