1、畢業(yè)設(shè)計開題報告學(xué)生姓名：學(xué)號： 學(xué)院、系： 專 業(yè)：光電信息工程設(shè)計題目基于ZEMAX的激光擴(kuò)束系統(tǒng)設(shè)計指導(dǎo)教師：年 月曰開題報告填寫要求1講題報告作為畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計（論 文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效； TOC o 1-5 h z 2圻題報告內(nèi)容必須用按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時交給指導(dǎo)教師簽署意見；3祥生寫文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于 15篇（不包括辭典、手冊）。文 中應(yīng)用參考文獻(xiàn)處應(yīng)標(biāo)出文獻(xiàn)序號，文后

2、“參考文獻(xiàn)”的書寫，應(yīng)按照國標(biāo)GB 7714- 87文后參考文獻(xiàn)著錄規(guī)則的要求書寫，不能有隨意性；4祥生的“學(xué)號”要寫全號（如 0201140102,為10位數(shù)），不能 只 寫 最后2位或1位數(shù)字；.有矢年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo) GB/T 7408- 94數(shù)據(jù)元 和交 換格式、信息交換、日期和時間表示法規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如 “200徉 3 月 15 日”或 “200403-15” ；.指導(dǎo)教師意見和所在專業(yè)意見用黑墨水筆工整書寫，不得隨便涂改或潦草書寫畢業(yè)設(shè)計開題報告1 ?結(jié)合畢業(yè)設(shè)計情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述：文獻(xiàn)綜述1.1本課題研究的背

3、景激光擴(kuò)束系統(tǒng)是激光干涉儀、激光測距儀、激光雷達(dá)等諸多儀器設(shè)備的重要組成部分，其光學(xué)系統(tǒng)多采用通過倒置的望遠(yuǎn)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對激光束的擴(kuò)束。激光器發(fā)出的光束直徑很細(xì)小，通常只有零點(diǎn)幾到幾毫米，激光束的這些特性在某些方 面是很有用的。然而在一些應(yīng)用領(lǐng)域中需要的卻是寬光束，如激光全息、光信息處理、激光 照明等。例如在激光干涉儀的應(yīng)用中，它要照射比激光束口徑大的多的被測物 體，然后通過 光束的干 涉來實(shí)現(xiàn)測量。又如在激光的全息應(yīng)用中，它要照射比激光束口徑大得多的全息記錄介質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)信息的記錄和重現(xiàn)。因此需要使用激光擴(kuò)束系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)激光束的擴(kuò)束引。1? 2國內(nèi)、外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀目前廣泛使用的激光擴(kuò)束器一般有兩大

4、類 6刀：一類是采用兩個或多個透鏡組成的透射 式 激光擴(kuò)束器，如開普勒系統(tǒng)和伽利略系統(tǒng)。該類系統(tǒng)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，多由球面透鏡組構(gòu)成，故可以通過改變透鏡組之間的間距來實(shí)現(xiàn)對激光束的變倍擴(kuò)束，即可以設(shè)計成擴(kuò)束比連續(xù)變化的變倍系統(tǒng)。如果要求系統(tǒng)輸出激光口徑很大，貝燧鏡的口徑也隨之增大，使得球 差、彗 差等與口徑相尖的像差顯著增加，不僅影響了照明分布的均勻性，也增加了透鏡的加工難度與成本，所以該類系統(tǒng)只適用于小倍率擴(kuò)束。另一類是采用反射式擴(kuò)束系統(tǒng)，比如卡塞格林系統(tǒng)、格里高利系統(tǒng)以及離軸三反射式系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的特點(diǎn)是使用大口徑反射鏡面，增大了擴(kuò)束比，并且非球面的設(shè)計使得像差 校正得很好。由于大擴(kuò)束比系

5、統(tǒng)有利于壓縮激光器的發(fā)散角，提高準(zhǔn)直性，所以在激光擴(kuò)束中得到廣泛的應(yīng)用。但卡塞格林無焦系統(tǒng)存在中心擋光現(xiàn)象；而離軸三反系統(tǒng)會引入比較大的軸外像差，所以為了保證光束質(zhì)量而引入了多個非球面，增加了制造和裝調(diào)的難度和成本。此外，反 射式系統(tǒng)的擴(kuò)束比不可調(diào)節(jié)，只能針對某一 人中光束口徑進(jìn)行設(shè)計，使得應(yīng)用范 圍受到了限制。目前文獻(xiàn)報道的最大光束放大倍率為 50倍，在滿足激光束放大比的條件 下，盡量選用折射型擴(kuò) 束器，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便。激光擴(kuò)束器的主要作用是壓縮激光的空間發(fā)射角和擴(kuò)大激光光束14,使擴(kuò)術(shù)后的激光束口徑滿足其他系統(tǒng)的要求；同時由于激光的高單色性及準(zhǔn)直性優(yōu)點(diǎn)，因此也常常用于譜成像系統(tǒng)

6、中的光譜定標(biāo)。在折射型擴(kuò)束器中，除空間濾波必須采用開普勒望遠(yuǎn)鏡外，一 般采 用伽里略望遠(yuǎn)鏡，這種結(jié)構(gòu)不僅能縮小外形尺寸，而且在強(qiáng)功率激光束的場合，由于通 過負(fù)目 鏡時，使光束發(fā)散。故可避免因正目鏡會聚而產(chǎn)生的空氣擊穿現(xiàn)象和導(dǎo)致透鏡的損傷。近幾年，我國成功研制了具有大擴(kuò)束比的激光擴(kuò)束器，如同濟(jì)大學(xué)物理系研制的“300 HTM激光擴(kuò)束器” 151 （如圖所示）。該擴(kuò)束器為哈特曼擴(kuò)束器，具有大口徑 和高 倍率的特點(diǎn)，其通光口徑為300mm ,倍率為30,儀器總長950mm。該系統(tǒng)的物鏡 采用了非球 面的設(shè)計，故能在最大的限度內(nèi)減小系統(tǒng)的像差，滿足其要達(dá)到的系統(tǒng)指標(biāo)。圖1.1300 HTM激光擴(kuò)束器在

7、激光變焦擴(kuò)束系統(tǒng)方面，國內(nèi)外都研制了一系列成熟的產(chǎn)品。武漢巍騰科技有限公司的VIS-NIR56C-30系列電動變焦激光擴(kuò)束鏡忖，對波長為 450-675nm的激光束可實(shí)現(xiàn)lx-4x或2x-8x的連續(xù)變焦，且其系統(tǒng)像差優(yōu)于/4。CVIMG公司的LBV系列激光變焦擴(kuò)束系統(tǒng)對波長為 632.8nm的He? Ne激光光束 具有2.5X-10X的擴(kuò)束比，且其系統(tǒng)像差優(yōu)于材-/10r171。1.3 ZEMAX 概述ZEMAX忖是美國Radiant Zemax公司所發(fā)展出的光學(xué)設(shè)計軟件,可做光學(xué)組件設(shè)計 與照明系統(tǒng)的照度分析，也可建立反射、折射、繞射等光學(xué)模型，并結(jié)合優(yōu)化，公差等分析 功ZEMAX可仿真能。

8、ZEMAX是一套綜合性的光學(xué)設(shè)計仿真軟件，它不只是透鏡設(shè)計軟件而已，更是全功能的光 學(xué)設(shè)計分析軟件，具有直觀、功能強(qiáng)大、靈活、快速、容易使用等優(yōu)點(diǎn)，而且Sequential和Nonsequential的成像系統(tǒng)和非成像系統(tǒng)。ZEMAX能夠在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中實(shí)現(xiàn)建模、分析和其他的輔助功能。ZEMAX的界面簡 單易用，只需稍加練習(xí)，就能夠?qū)崿F(xiàn)互動設(shè)計，其中有很多功能能夠通過選擇對話框和下拉菜單來實(shí)現(xiàn)。同時，也提供快捷鍵以便快速使用菜單命令。手冊中對使ZEMAX時的一些慣 用方法進(jìn)行了解釋，對設(shè)計過程和各種功能進(jìn)行了描述。ZEMAX目前已經(jīng)是被光電子領(lǐng)域熟知的光學(xué)設(shè)計的首選軟件。該軟件擁有兩大特點(diǎn) 就

9、是可以實(shí)現(xiàn)序列和非序列分析。在全球范圍內(nèi)，這款軟件已經(jīng)被廣大的應(yīng)用在設(shè)計顯示系統(tǒng)，照明，成像的使用 系統(tǒng)，激光系統(tǒng)以及漫射光的設(shè)計應(yīng)用方面。參考文獻(xiàn)1孔祥蕾，郝沛明？變焦擴(kuò)束系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計，應(yīng)用光學(xué)，2001.2張存武？變焦距光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計D.長春：長春理工大學(xué),2006.3徐金鎘？光學(xué)設(shè)計？北京：國防工業(yè)出版社989.4陳鈕清，王靜環(huán)？激光原理杭州：浙江大學(xué)出版杜,1992.5盧亞雄，楊亞培，陳淑芬？激光束傳輸與變換技術(shù)？成都電子科技大學(xué)出版社，1999.(6)郁道銀，談恒英？工程光學(xué)？北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.7袁滄旭？應(yīng)用光學(xué)？北京：國防工業(yè)出版社,1988.網(wǎng) 姚啟鈞？光學(xué)教程？北

10、京：高等教育出版社,1988.9李曉彤？幾何光學(xué)和光學(xué)設(shè)計？浙江：浙江大學(xué)出版社,1997.10蔡常達(dá)？變焦距激光擴(kuò)束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計？激光與紅外1996.11李林？光學(xué)設(shè)計手冊，北京：北京理工大學(xué)出版社,1996.12孟軍和，張振，孫興文 ？變焦距鏡頭的凸輪優(yōu)化設(shè)計？紅外與激光至2002,31(1):5154？13蔡常達(dá)？變焦距激光擴(kuò)束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計？激光與紅夕11996,26(1):30 - 31 ？DickBedeaux, Jan Vlieger. Optieal Properties Of Surfaees.L on don Imperial College Press, 2004.La

11、iki n, Milt on. Le ns Desig n. NewYork : Mareel, 1991.Ki ngslake R. Le ns Desig n Fu ndame ntals.NewYork: Academic Press.1983.Warre n J.Smith. Moder n Lens Design.New York: McGraw-Hill.1992.ZEMAX Developme nt Corporati on .Software For Optical Desig n.Jan uary 6, 2003.畢業(yè)設(shè)計開題報告2 ?本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手

12、段（途徑）本課題研究目的通過查閱相尖資料，掌握幾何光學(xué)設(shè)計原理和無焦系統(tǒng)光束質(zhì)量評價辦法。掌握高斯光束分布基本原理及特點(diǎn)，完成高斯光束分布模型計算。掌握光學(xué)元件基本參數(shù)計算方法，完成系 統(tǒng)中各 光學(xué)元件參數(shù)計算。掌握ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件使用方法，？利用ZEMAX完成擴(kuò)束系 統(tǒng)以及光束 質(zhì)量評價函數(shù)建模，并進(jìn)行優(yōu)化，使得整個系統(tǒng)達(dá)到要求指標(biāo)。本課題研究方案通過對要設(shè)計的擴(kuò)束系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的分析，可以看出要實(shí)現(xiàn)擴(kuò)束比大于30X,通過單一的 擴(kuò)束方法（如透射式擴(kuò)束系統(tǒng)或反射式擴(kuò)束系統(tǒng)）都難以實(shí)現(xiàn)。設(shè)計的擴(kuò)束系統(tǒng)采用兩級擴(kuò)束的辦法，來達(dá)到擴(kuò)束比大于30X的要求。首先，使激光器發(fā)射出的光束通過透射式擴(kuò)束

13、系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)第一級擴(kuò)束比大于o然后，使通過第一級擴(kuò)束系統(tǒng)的光束入射到反射式擴(kuò)束系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)第二級擴(kuò)束。第二級擴(kuò)束系統(tǒng)的擴(kuò)束比應(yīng)大于6X 0本課題尖鍵器件的選擇反射式擴(kuò)束系統(tǒng)形式的選擇反射式擴(kuò)束系統(tǒng)通過采用非球面反射鏡的結(jié)構(gòu)，有利于消除系統(tǒng)的球差，故其廣泛的應(yīng) 用于 擴(kuò)束系統(tǒng)中。反射式擴(kuò)束系統(tǒng)可分為卡塞格林系統(tǒng)和格里高利系統(tǒng)。卡塞格林系統(tǒng)是使用最廣泛的兩鏡系統(tǒng)，只消除球差。主鏡為拋物面，其偏心率e2=1 o副鏡的偏心率e2= （T,只與副鏡放大率B有尖o當(dāng)副鏡的放大率時，卡塞格林（1 +P） 2系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)對光束的擴(kuò)束，這時副鏡的偏心率e2=1,為凸的拋物面?？ㄈ窳质綌U(kuò)束系統(tǒng)如圖21所示。格里高利

14、系統(tǒng)主鏡是凹的拋物面，其偏心率 &C 7。副鏡位于主鏡焦點(diǎn)之后，是凹的橢球t 切寸，格里面。副鏡的偏心率e;二一字7,只與副鏡放大率口有尖。當(dāng)副鏡的放大率口（1 十 P）高利系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)對光束的擴(kuò)束，這時副鏡的偏心率e2=1,為凹的拋物面。格里高利式擴(kuò)束系統(tǒng)如圖22所示。圖2.1卡塞格林系統(tǒng)圖2.2格里高利系統(tǒng)從對上述兩種系統(tǒng)的分析可以看出，軸對稱的結(jié)構(gòu)形式使它們都存在中心遮攔現(xiàn)象，而這 種現(xiàn) 象對激光束這種高斯光束來說影響較大。因?yàn)楦咚构馐哪芰看蠖技性谥行奈恢?，若存?中心遮 攔則會使光束損失掉大部分的能量，而影響擴(kuò)束后激光束的應(yīng)用。若采用非軸對稱形式的結(jié)構(gòu)（即離軸反射式），則可以很好的

15、解決軸對稱式卡塞格林系統(tǒng) 和格 里高利系統(tǒng)存在的中心遮攔問題。離軸的卡塞格林?jǐn)U束系統(tǒng)和格里高利擴(kuò)束系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)如 圖3.3所 示。（a）離軸的卡塞格林?jǐn)U束系統(tǒng)（b）離軸的格里高利擴(kuò)束系統(tǒng)圖3.3離軸反射式擴(kuò)束系統(tǒng)通過對卡塞格林系統(tǒng)、格里高利系統(tǒng)、離軸卡塞格林系統(tǒng)和離軸格里高利系統(tǒng)的林?jǐn)U各種特性（如全長、有無色差等）進(jìn)行比較，對于本課題要設(shè)計的擴(kuò)束系統(tǒng)來說，離軸式卡塞格束系統(tǒng)相對于其它三種系統(tǒng)來說更加合適。折射式擴(kuò)束系統(tǒng)形式的選擇折射型擴(kuò)束系統(tǒng)有2種基本結(jié)構(gòu)，即開普勒擴(kuò)束器和伽利略擴(kuò)束器，如圖 2.4所示。其中，圖（a）中前組透鏡的后焦點(diǎn)F;與后組透鏡的前焦點(diǎn)丘重合；圖（b）中前組透鏡的前焦點(diǎn)Fi 組透鏡的前焦點(diǎn)F2相重合。(a)開普勒擴(kuò)束器(b)伽利略擴(kuò)束器圖2.4折射型擴(kuò)束器基本結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用中，除空間濾波必須采用開普勒結(jié)構(gòu)外，一般采用伽利略結(jié)構(gòu)？這種結(jié)構(gòu)不僅結(jié)構(gòu)簡單，能縮小外形尺寸，而且在強(qiáng)功率激光束的場合，由于通過負(fù)目鏡時光束發(fā)散，故可避免因正目鏡會聚而產(chǎn)生的空氣擊穿現(xiàn)象和透鏡的損傷。一般低倍率的擴(kuò)束系統(tǒng)都采用伽利略結(jié)構(gòu) 來設(shè)計。此外，在光學(xué)系統(tǒng)中引入非球面可有效提高像質(zhì)并減少透鏡數(shù)量，且?guī)в蟹?/p>