摘 要：设计提出了一种基于ZEMAX 的激光准直物镜的设计方案，并给出了设计和优化方法。结合常用的 656。2725nm 半导体激光器，设计了双胶合型激光准直物镜，对设计得到的透镜结构图、波前干涉图、传递函数以及点列图进行了分析。该设计使用的镜片数少，结构简单，获得较好的准直效果，发散角达到了 0。031 mrad 。72645
毕业论文关 键 词：激光准直物镜 ，优化 ，双胶合
Abstract：A design scheme based on ZEMAX is proposed for the laser collimation objectivelense。 The design and optimization method is given。 For a 656。2725nm semiconductor lasercommonly used in engineering, a cemented doublet laser collimation objective lens is designed。The lens chart, wavefront interferogram, transfer functions and the spot diagram is analyzed inthe design。 This design has the features of less lenses and simple structure。 A fine collimation isgotten at a pergence angle of 0。031 mrad。
Keywords： laser collimation objective , optimization , cemented doublet
目录
1引言3
2激光准直物镜设计方案。3
2。1棱镜式4
2。2双胶合式4
340mm口径激光准直物镜ZEMAX设计5
3。1ZEMAX简介。5
3。2设计要求5
3。3相关参数5
3。4初始设计7
3。5优化设计8
3。6最终2D草图及ISO格式绘图。12
总结。14
参考文献15
致谢。16
1 引言从 1962 年世界第一台半导体激光器问世，迄今为止，半导体激光器得到了惊人地发展，其波长覆盖范围逐渐扩大，性能参数有了极大的提高。20 世纪 70 年代开始，半导体激光器向着两个方向发展，一类是以传递信息为目的的信息型激光器，另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。90年代开始，高功率半导体激光器取得了突破性进展，其输出功率显著增加，国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化，国内样品器件输出已达到 600W。另外不可忽视的是 90 年代出现并迅速发展的面发射激光器，它在光电子学中得到了多种应用，980nm、850nm、780nm 的器件在光学系统中已经实用化，垂直腔面发射激光器已用于千兆位以太网的高速网络。为满足 21世纪信息传输宽带化、 信息处理高速化、 信息存储大容量及军用装备小型、高精度化等需要，半导体激光器的发展趋势主要在高速宽带 LD、大功率 LD、短波长 LD、量子线和量子点激光器、中红外 LD灯方面。随着半导体激光技术的不断发展，现在它已经具有效率高、体积小、重量轻、结构简单、功率转换效率高、便于调制等优点，因此半导体激光器已经逐渐取代 He-Ne激光器，已被广泛应用于材料加工、激光显示、医疗、通信和国防等领域，占有激光市场的最大份额。激光光束的质量对于半导体激光器的总体表现至关重要，优质的准直透镜式制造高性能半导体激光器光束聚焦和照明系统的关键元件[1]。但由于半导体激光器自身的限制，出射光束存在较大的发散角，输出光束不均衡等缺点，造成较严重的光能量损失，因此对光束进行准直以解决光的损耗问题具有较大的意义。
本文采用双胶合结构设计出的准直物镜能有效的改善光束质量，减小各种像差，减少能量损耗。2 激光准直物镜设计方案半导体激光源发射的光束可看做是高斯光束，高斯光束经过单透镜时的传输特性可以通过 ABCD 矩阵来求解，定义 0 ω 和 '0 ω 分别经透镜变换前后的高斯光束的束腰直径，F 为透镜的焦距，由 q参数表示：D CB AAAB++ =qqq （2-1）由 l A + = 0 q q， if i D = =λωq20 π （2-2）得到： '2 '0-λωq l Bπ = （2-3）对于半导体激光光束的准直实际上是改善其方向性和压缩发散角，高斯光束的发散角可以表示为 '0'ωλ 2θπ=若要使 'θ 尽量小甚至趋于 0，则要求 '0 ω 尽可能变大，高斯光束通过单个透镜时，若 F l = ，则会达到最大值，其值有限。由 '0 ω 的表达式 ２ ２＋f l FF) - (ωω2 20 2 '0 = 经变换后得到2 022202 '0)λω(1)1- (1ω1ω1 πF F+ = （2-4）由于 0 ω 有限，无论 '0 ω 和F 取何值时都不可能使趋于无穷大，说明使用单透镜不能实现高斯光束的较好准直效果。2。1 棱镜式该结构采用一块单球面平凸透镜 1 L 合一块补偿板 2 L （补偿板第一面为平面，第二面为曲面）构成准直物镜。高斯光束的能量主要集中在束轴附近，因此校正近轴区的波像差即可满足使用需要。根据折射面的近轴成像公式，准直物镜焦距与准直物镜结构参数的关系为：)ln D (D ) D (D 4 2 3 1'+ + + = f ， 1 D 半导体激光器到封装玻璃窗的距离； 2 D 为封装玻璃窗的厚度； 3 D 为单球面平凸镜到封装玻璃窗距离； 4 D 为单球面平凸镜厚度。图2。1-1 半导体激光器准直物镜结构图2。2 双胶合式该结构由一个正透镜和一个负透镜胶合而成，通过胶合而成的透镜比一个简单的镜头具有短焦长，大放大率和较好的成像质量[2]。这种透镜的优点是：结构简单，方便安装，光能损耗较小，选择合适的玻璃可以有效校正球差、彗差和轴向色差，以满足设计要求。半导体激光器的工作范围是 15m 到40m，这对激光准直器的输出光束能量提出了很高的要求。棱镜式的优点在于能够为测量系统提供足够大的能量，激光准直性好，体积小，便于使用；缺点是需要用到的镜头加工困难，因此对实际应用存在较大的限制当。经考虑，设计采用方案二双胶合式。3 40mm口径激光准直物镜 ZEMAX 设计3。1 ZEMAX简介ZEMAXTM是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。 (责任编辑：qin) |