简易激光扩束器的设计和制作

1简易激光扩束器的设计和制作一实验目的激光扩束器是激光雷达、激光测距等光学系统中重要的光学部件，在上述系统中一个优良的光学系统是决定整个系统性能的关键因素之一。因此，理解和设计出一个良好的扩束器成为一种必要。然而扩束器对于在实验室内学习的学生而言却显得非常陌生，由于没有现成的仪器，学生仅从理论上学习它，这在一定程度上限制了学生的知识范围。实验系统的搭建不仅能让学生清楚的理解扩束器的原理，更能让学生自己动手搭建系统，培养了学生理论联系实际，自我动手的能力。图1扩束镜2二实验原理2.2扩束镜原理扩束镜是能够改变激光光束直径和发散角的透镜组件。从激光器发出的激光束具有一定的发散角，对于激光加工来说，只有通过扩束镜的调节使激光光束变为准直（平行）光束，才能利用聚焦镜获得细小的高功率密度光斑；在激光测距中，必须通过扩束镜最大限度地改善激光的准直度才能得到理想的远距离测量效果；通过扩束镜能改变光束直径以便用于不同的光学仪器设备；扩束镜配合空间滤光片使用则可以使非对称光束分布变为对称分布，并使光能量分布更加均匀。图2扩束镜原理图三实验方案及比较3.1棱镜扩束法由于棱镜材料的折射，使出射光方向与入射光方向不同，其入射角与棱镜顶角的变化可以引起光束宽度的改变.棱镜扩束示意图如图1a.每个棱镜的扩束比为D/d=M=cos［arcsin（sinφμp）］cosφ′（3-1）式中D为出射光的宽度；d为入射光的宽度；M为扩束比；φ为入射角；φ′为折射角；μp是棱镜的折射率。玻璃棱镜的μp=1.54.根据现有的数据，d=2mm，D=47mm,则总的扩束比为3Mn=Dd=23.5（3-2）图3棱镜扩束系统若想用3个棱镜完成扩束比，则每个棱镜的扩束比应为M=𝑀𝑛13=2.8（3-3）由M=cos［arcsin(sinφ/μp)］/cosφ′=2.8，可近似算得φ=81°.由折射定律μp=sinφ/sinφ′,可得φ′=53°.在选择棱镜的顶角时，应使得出射光束尽可能垂直于出射面，以使这个出射面反射最小.由几何学可知，应取棱镜顶角ψ＝φ′＝53°.实际的棱镜扩束光路如图1b。和下面的透镜扩束相比，具有体积小，无象差等优点，并同时使入射光方向转了近90°，用在系统光路中即扩展了光束，也使光线方向发生改变，起到了扩束镜和反射镜的双重作用。3.2双凸透镜扩束法设透镜的焦距为F，物距和象距分别为𝑠01和𝑠02，它们之间的关系为11+1=1（3-4）当𝑠01=F时，𝑠02=∞,说明透镜焦点上的一个点光源经过透镜后为一平行光；当S02=F时，S01=∞,表明当入射光为一平行光时，经过透镜后，聚焦在透镜的焦点上，如图4所示。图4透镜聚光原理利用这一特点，采用两个焦距不同的透镜，可以构成如图3所示的扩束和准直系统.F1、F2分别为两个透镜的焦距，由几何光学原理很容易得出束宽放大比率为4M=1（3-5）设激光束直径为d，光束宽度为D，那么图5扩束系统和棱镜相比，透镜存在相差的影响，其中最主要的是球差.球差是由于非傍轴光线通过透镜时屈折得过分利害引起的，从而引起聚焦不好，如图6a。但是如果把一块透镜想象成两块棱镜在底部连接而成，那么明显的是：当入射光线同镜面和出射光线同镜面大致成同样大小的角度时，入射光线的偏转将最小，在图6b中，只要把透镜翻转过来，就使球差显著减小，当入射光是平行光时，对一个简单的凸透镜来说，若其后表面几乎为平面但不完全是平面时，将会有最小的球差。由于光路是可逆的，用两个透镜进行扩束时，应使两个透镜较平的一面相对，来减小相差。图6一个平凸透镜的球差3.3凹凸透镜组合扩束法与4.2双凸透镜扩束法类似，讲入射镜片换成凹透镜，两透镜间距为R=f1+f2(3-6)同样，放大倍率的计算方法同公式（3-5）5图7凹凸透镜组合扩束原理图3.4方案比较与透镜扩束器相比，棱镜扩束器具有体积小、扩束比大、损耗低、偏振性好等特点，但是结构较复杂。最通用的透镜扩束器起源于伽利略望远镜，通常包括一个输入负透镜和一个输出正透镜。输入镜将一个虚焦点光束传送给输出镜，两个透镜是虚共焦结构。一般小于20倍的扩束镜都用该原理制造，因为它简单、体积小、价格也低。它的局限性在于不能容纳空间滤波或者进行大倍率的扩束。综上所述，我们决定主要采用透镜扩束法中的凹凸透镜组合进行实验。同时也采用双透镜扩束法进行对比。四方案实现我们使用的材料如下：焦距为45mm、50mm、225mm、300mm、-60mm的透镜各一块、透镜架两个、光屏一个、激光器一台，搭建透镜扩束系统。五调试过程及结论5.1扩束系统的搭建和调试将各器件调整到同轴等高，按照3.2与3.3中的计算结果放置给器件的位置，如下图所示。6图8先将光屏放在激光器与第一片透镜之间，测量测量激光器发射出的激光束的直径。再将光屏放置在最后一块透镜后，移动光屏，观察光斑大小是否发生变化，若光斑大小不变化则对直径进行测量；否则微调两片透镜之间距离，直到移动光屏时光斑大小不再变化。5.2数据记录实验数据记录表前透镜焦距𝑓1后透镜焦距𝑓2光斑直径D50mm225mm3.3mm-60mm300mm3.5mm45mm300mm3.8mm75.3数据分析根据公式（3-5）计算出理论放大倍率𝑀理，在根据光斑直径与激光束直径的比值计算出实际放大倍率𝑀实。数据处理结果前透镜焦距𝑓1后透镜焦距𝑓2光斑直径D理论放大倍率𝑀理实际放大倍率𝑀实误差50mm225mm3.3cm4.54.18.9%-60mm300mm3.5cm54.412.0%45mm300mm3.8cm6.74.813.4%激光束直径d=0.8cm根据实验结果可以看出，实际放大倍率与理工放大倍率还是有较大差距。在实验过程中，将透镜按照理论计算结果摆放，移动光屏，光斑大小依旧会发生变化，只有经过仔细调整才能达到标准。这个过程可能会改变扩束系统的放大倍率。另外在测量光斑直径的过程中，发现光斑边缘并不明显，可能造成测量误差。但总的来说，使用大倍率的透镜组依然会产生较大的光斑。六实验总结通过这次实验，我们将课堂上学习到的知识运用到实际中，对相关知识的理解更加深刻。本次实验，我们采用了双凸透镜和凹凸透镜组合两种方案来进行比较。在成像质量上两者并没有明显差距。随着放大倍率的增加，整个扩束系统的体积再也增加。但使用凹凸透镜组合可以有效减小整个系统的体积。所以在实际的生产生活中，使用最广泛的是由凹凸透镜组合而成、类似伽利略望远镜的扩束系统。这种扩束系统的特点是成本低、体积小、结构简单。在实验中也遇到一些问题。比如，考虑到激光器发出的激光束也有较小的发散角，那么激光器到第一片透镜之间的距离对实验结果会不会有影响。通过几次尝试，我们认为基本没有影响，虽然激光束也有一定的发散角，但几乎可以认为是平行光。如果将透镜按照理论计算结果摆放，我们发现，移动光屏时光斑大小也会发生变化，只有仔细调整两片透镜之间的距离，才能保证移动光屏而光斑不发生变8化。我们也尝试了使用物屏来代替激光束，并在物屏与第一片透镜之间加一片透镜，以保证射入扩束系统的是平行光。但由于物屏遮挡了大部分光线，导致光屏上呈现的像不明显、不利于观察，所以我们放弃了这种方案。我们也认识到理论和实际的差距，实际中不可能像理论一样完美，但不能否认理论依据起到的指向性作用。我们要以理论为依据，结合实际情况进行改进，这样才能得到较好的结果。七参考文献[1]李林.应用光学.北京理工大学出版社.2010[2]百度文库.激光扩束器.[3]百度文库.激光扩束器.[4]Wikipedia.Lagrangeinvariant.