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一种激光变焦扩束系统设计

作　者: 刘焕宝
导　师: 安志勇
学　校: 长春理工大学
专　业: 光学工程
关键词: 扩束系统 变焦 光学设计 ZEMAX
分类号: TN24
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


为了对氦氖激光器的光束进行扩束,本文在变焦距光学系统设计原理的基础上,通过对技术指标的分析,首先确定了扩束系统的设计方案。其次,在对方案所采用的光学系统进行分析后,计算出了系统的各光学参数。最后,通过ZEMAX软件的优化,完成了激光变焦扩束系统的设计。本文是在对技术指标(扩束比：50×-150×)分析后,确定了采用两级扩束的方案,并决定第一级扩束系统采用透射式,第二级扩束系统采用反射式。在对变焦光学系统分析后,确定第一级扩束系统采用具有三个组元的机械补偿式变焦系统。在确定各组元的参数后,通过对透射式变焦扩束系统的变焦方程求解,推导出了变倍组、补偿组和固定组之间的移动规律。利用ZEMAX光学设计软件设计出了扩束比为5×-15×的第一级扩束系统。确定第二级扩束系统采用两镜系统中的改进型离轴卡塞格林系统。根据其三级像差理论,通过对公式的推导和计算,确定了第二级扩束系统的主镜、副镜的面形参数(e12、e22)和与轮廓尺寸有关的参数α、β。利用ZEMAX软件设计出了扩束比为10×的第二级扩束系统在对两级扩束系统组合后得到的系统进行优化后,最终得到了本课题要设计的激光变焦扩束系统。通过对扩束系统的波象差等进行分析,可以证明所设计的激光变焦扩束系统达到了技术指标的要求。从最终设计出的扩束系统可以得出：该系统结构简单,性能优良,是一种可以被实际应用的连续变倍的激光扩束系统。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-6
目录  6-8
第一章 绪论  8-12
  1.1 引言  8
  1.2 课题研究的目的及意义  8-9
  1.3 扩束系统的国内外研究现状  9-10
  1.4 主要研究内容及技术指标  10-12
    1.4.1 主要研究内容  10
    1.4.2 技术指标  10-12
第二章 激光扩束与变焦光学系统的基本理论  12-22
  2.1 激光束及其准直扩束的原理  12-14
    2.1.1 激光高斯光束的特性  12
    2.1.2 激光束准直扩束的原理  12-14
  2.2 变焦距光学系统的原理  14-17
    2.2.1 变焦距系统的定义  14
    2.2.2 变焦距系统应满足的基本要求  14
    2.2.3 变焦距系统所遵循的重要规律  14-17
  2.3 几种变焦距光学系统的比较与选择  17-19
    2.3.1 光学补偿式  17
    2.3.2 机械补偿式  17-18
    2.3.3 双组联动式  18
    2.3.4 全动式  18-19
    2.3.5 各种变焦形式的比较  19
  2.4 机械补偿式变焦光学系统的各种形式  19-22
第三章 激光变焦扩束系统的总体方案设计  22-33
  3.1 扩束系统的设计思路  22-25
    3.1.1 透射式扩束系统变焦形式的选择  22
    3.1.2 反射式扩束系统形式的选择  22-25
  3.2 透射式扩束系统变焦扩束的过程分析  25-27
    3.2.1 变焦扩束系统原理  25-26
    3.2.2 理论过程推导  26-27
  3.3 透射式扩束系统各组元参数的确定  27-33
    3.3.1 对求解各变焦组元参数的分析  27
    3.3.2 各变焦组元参数值的确定  27-28
    3.3.3 各变焦组态间距值的确定  28-29
    3.3.4 对求得的组元参数进行验证  29-33
第四章 第一级透射式扩束系统的设计  33-39
  4.1 透射式扩束系统初始结构的设计  33-34
  4.2 透射式扩束系统的优化设计  34-37
  4.3 透射式变焦扩束系统的总体结构分析概述  37
  4.4 透射式变焦扩束系统的总体结构方案设计  37-39
    4.4.1 变焦扩束系统的结构组成  37-38
    4.4.2 变焦扩束过程的控制分析  38-39
第五章 第二级反射式扩束系统的设计  39-46
  5.1 轴对称非球面的数学表达式  39-40
  5.2 两镜系统的设计原理  40-43
    5.2.1 基本结构形式  40-41
    5.2.2 单色像差表示式  41-42
    5.2.3 消像差条件式  42-43
  5.3 反射式扩束系统的设计  43-46
    5.3.1 各反射镜面型的确定  43-44
    5.3.2 各反射镜焦距的确定  44
    5.3.3 反射式扩束系统的优化设计  44-46
第六章 激光变焦扩束系统设计的结果分析  46-52
  6.1 激光变焦扩束系统设计结果  46-48
  6.2 激光变焦扩束系统的像差分析  48-52
    6.2.1 激光变焦扩束系统的波象差  48-49
    6.2.2 激光变焦扩束系统的调制传递函数  49-50
    6.2.3 激光变焦扩束系统的点列图  50-51
    6.2.4 激光变焦扩束系统的点扩散函数  51-52
第七章 总结与展望  52-54
  7.1 论文总结  52-53
  7.2 展望  53-54
致谢  54-55
参考文献  55-57
附录  57-58

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 激光技术、微波激射技术
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