一种激光变倍准直扩束系统的制作方法

本发明涉及光学元件、光学系统设计技术领域，特别涉及一种激光变倍准直扩束系统。

背景技术：

激光器发出的光束直径很细小，通常只有零点几到几毫米，激光束的这些特性在某些方面是很有用的。然而在一些应用领域中需要的却是宽光束，如激光全息，光信息处理，激光照明，激光测距等。例如在激光干涉仪的应用中，它要照射比激光束口径大的多的被测物体，然后通过光束的干涉来实现测量。又如在激光的全息应用中，它要照射比激光束口径大的多的全息记录介质，以实现信息的记录和重现。因此需要使用激光扩束系统来实现激光束的准直扩束。

近年来，随着变焦距光学系统光学设计理论的完善以及加工工艺的成熟，变焦距光学系统的种类日益丰富，成像质量逐渐提高，可与定焦距系统相媲美，因此广泛的应用到各种工作生活领域中。在这种情况下，由于变焦扩束系统与其它扩束系统相比因其具有扩束比可调的优点，使其在激光干涉测量、全息照相、激光测距等领域有着十分广泛的应用。但现有的激光变焦扩束系统存在如下缺点：传统折反射式准直扩束系统的体积大，装调困难，成本高等。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种激光变倍准直扩束系统，能够实现变倍比为2^×-6^×，具有体积小，装调容易，出射激光发散角小，光斑能量分布均匀，扩数比连续可调，无实聚焦点，适用于大功率激光器等优点。

为实现上述目的，本发明提供一种激光变倍准直扩束系统，包括固定透镜组，扩束透镜组，负透镜；所述扩束透镜组包括变倍透镜组和补偿透镜组；所述固定透镜组包括前固定透镜组和后固定透镜组；所述负透镜靠近入射激光束的光源处设置，在负透镜的前方依次配合设置后固定透镜组、补偿透镜组、变倍透镜组和前固定透镜组；所述固定透镜组为固定设置；所述补偿透镜组和变倍透镜组均为活动设置；所述补偿透镜组与变倍透镜组的之间的相互移动方式为非线性移动。

所述系统的扩束倍率通过调整变倍透镜组和补偿透镜组之间的间距来调整。

所述系统的扩束倍率通过调整扩束透镜组与后固定透镜组之间的间距来调整。

所述后固定透镜组包括第一凹透镜、第二凹透镜、第三凸透镜和第四凸透镜；所述补偿透镜组包括第一补偿凹透镜和第二补偿凹透镜；所述变倍透镜组包括第一变倍凹透镜和第二变倍凹透镜；所述前固定透镜组包括第一前凸透镜和第二前凸透镜。

所述系统的扩束倍率的范围为2-6倍。

所述负透镜的焦距为f′＝-52mm，所述系统的焦距变化范围为 104mm-312mm。

有益效果：

本发明的激光变倍准直扩束系统，通过优化变焦系统使得出射发散角≤2.5mrad；扩束比连续可调，对于透射式系统，变倍比可达2^×-6^×；无实聚焦点，可适用于高功率激光器。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构示意图。

图2是激光器的发散角为5mrad，视场为0.2864789°，在本系统后1千米处五个多重结构出射光线的足迹图。

图3是若激光器无发散角，则在1千米处，五个多重结构出射的光线的足迹图。

图4(a)- 4(e)是本系统在不同的扩束比M的情况下，对五个多重结构的波象差曲线图。其中：图4(a)是扩束比为2波象差曲线图；其中图4 (b)是扩束比为3波象差曲线图；其中图4(c)是扩束比为4波象差曲线图；其中图4(d)是扩束比为5波象差曲线图；其中图4(e) 是扩束比为6波象差曲线图。

图5是本系统的变倍透镜组和补偿透镜组相互移动方式关系图。

具体实施方式

如图1所示：本发明的激光变倍准直扩束系统，包括固定透镜组，扩束透镜组，负透镜L1；所述扩束透镜组包括变倍透镜组L4和补偿透镜组L3；所述固定透镜组包括前固定透镜组L2和后固定透镜组L5；所述负透镜L1靠近入射激光束的光源处设置，在负透镜L1的前方依次配合设置后固定透镜组L2、补偿透镜组L3、变倍透镜组L4和前固定透镜组L5；所述固定透镜组为固定设置；所述补偿透镜组L3和变倍透镜组L4均为活动设置；所述补偿透镜组L3与变倍透镜组L4的之间的相互移动方式为非线性移动。

所述系统的扩束倍率通过调整变倍透镜组L4和补偿透镜组L3之间的间距来调整。

所述系统的扩束倍率通过调整扩束透镜组与后固定透镜组L2之间的间距来调整。

所述后固定透镜组L2包括第一凹透镜、第二凹透镜、第三凸透镜和第四凸透镜；所述补偿透镜组L3包括第一补偿凹透镜和第二补偿凹透镜；所述变倍透镜组L4包括第一变倍凹透镜和第二变倍凹透镜；所述前固定透镜组L5包括第一前凸透镜和第二前凸透镜。

所述所述系统的扩束倍率的范围为2-6倍。

所述负透镜的焦距为f′＝-52mm，所述系统的焦距变化范围为 104mm-312mm。

变焦光学系统是一种焦距可以连续变化而像面保持稳定且在变焦过程中像质保持良好的光学系统。因此，只能通过改变系统之间的间隔来实现系统焦距的变化。习惯上把引起焦距变化的组元称为变倍透镜组。但是当系统组元移动时，系统的像面也会发生相应的变化，因此为了实现系统最终像面的稳定，只能通过移动其他组元进行像面补偿。将起到补偿像面作用的组元称为补偿透镜组。变倍透镜组和补偿透镜组不同的运动型式将决定不同的变焦方式。一般情况下，系统都遵循如下基本条件：

(1)系统焦距(连续)变化；

(2)焦距变化的同时像面基本保持不变；

(3)系统的相对孔径基本保持不变；

(4)系统成像质量满足要求。

如前所述，变焦距系统在系统像面稳定的基础上实现焦距的 (连续)变化，并且要求系统像质在整个焦距范围内基本保持不变。变焦距系统在焦距变化过程中其焦距有两个极值，即长焦距与短焦距。系统长焦位置时焦距和短焦位置时焦距的比值称为系统的变倍比。

M≥10，称为高变倍比，反之称为低变倍比。如果变焦距系统由k 个透镜组成，由几何光学可知，整个系统的合成焦距为：

f′＝f′1β2β3…βk

即变焦距系统的合成焦距f′为第一个透镜组的焦距f′1和其后各透镜组垂轴放大率的乘积。f′的变化，就是β2β3…βk乘积的变化。

变焦距物镜在性能方面应该是：高变倍比、大相对孔径、大视场、近摄距、自动调焦、电动变焦；结构方面要体积小、重量轻；在像质方面力求达到定焦距物镜的质量。这些要求是互相盾的。因此，根据各种不同的实际要求，产生了不同类型的变焦物镜。

本次发明的的激光变焦扩束系统具体设计要求如下：

(1)扩束系统的光源特性：

激光器波长：650nm

入射激光发散角：5mrad

入射激光束口径：4mm

(2)设计的扩束系统要达到的技术指标：

扩束比：2^×-6^×

出射激光发散角：≤2.5mrad

本发明系统的激光变焦扩束系统透镜的半径、厚度、间隔以及透镜的材料如表1和表2所示。

表1

表2

图5纵坐标表示变焦系统的焦距改变，曲线L4表示变倍透镜组 L4相对于前固定透镜组L2的距离，曲线L3表示补偿透镜组L3相对于变倍透镜组L4的距离(单位：毫米)。通过这样的运动可以使激光的光束连续变化可调，完成2^×-6^×扩束。

如图2当激光器的发散角为5mrad，视场为0.2864789°，在系统后1千米处五个多重结构出射光线的足迹图。从图2可以看到，在距离系统1千米处，最大的光斑半径为2512.2176mm，其出射发散角为2.5mrad。如图3若激光器无发散角，则在1千米处，五个多重结构出射的光线的足迹图。从图3可以看出，在距离系统1千米处光线最大光斑半径仅为20.9874mm，并且模拟光线基本都在圆形区域之内，说明出射光束质量是非常好的。

如图4(a)- 图4(e)在不同的扩束比M的情况下，其中图4(a)是扩束比为2 波象差曲线图；其中图4(b)是扩束比为3波象差曲线图；其中图4 (c)是扩束比为4波象差曲线图；其中图4(d)是扩束比为5波象差曲线图；其中图4(e)是扩束比为6波象差曲线图。对图4(a)- 图4(e)中五个多重结构的波象差进行分析，可以看出其峰值波像差均小于0.15λ，故系统的像质是良好的。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。