CN113238374A - 一种高功率激光器准直系统设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高功率激光器准直系统设计方法，该方法通过实验测量并标定了高斯光束环围能量与发散半角关系，将传统Zemax几何光学设计和公差分析结合实测结果获取环围能量和光束质量，对比物理光学分析获得环围能量曲线图，互相验证设计方法的可靠性。本发明可以完成高效率、高质量的高功率激光器准直系统设计，为准直系统最终有效使用提供保障，具有设计方法简单、高效等优点。

Description

一种高功率激光器准直系统设计方法
技术领域
本发明涉及一种光学系统设计方法，用于在激光器使用中实现高斯光束的准 直输出。
背景技术
随着科技的发展，高功率激光准直输出越来越多地应用于各类激光使用要求 中，如定向能武器、激光通信卫星、激光加工系统等。高功率激光准直输出是通 过准直光学系统完成的。输出激光的环围能量和光束质量取决于准直系统的设 计、加工和装配结果，加工和装配的影响可在设计时进行公差匹配分析完成。因 此，高效率、高光束质量的准直系统设计成为高功率激光器使用的一个重要问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种高功率激光器准直系统设计方法，解决准直系统 在设计中降低激光器功率和光束质量的问题，为最终高功率激光器准直系统的使 用提供保障。
为了实现上述目的，本发明的设计方法测量并标定了高斯光束环围能量与发 散半角关系，为后续将测量结果转换到设计中以验证系统高效率使用提供了保 障；
所述设计方法包括如下步骤：
步骤一，测量高斯光束环围能量与发散半角关系；
步骤二，准直系统参数优化设计：结合效率需求，以及所述高斯光束环围能 量与发散半角关系，计算出束腰半径、光束直径；利用几何光学计算出高斯光束 数值孔径NA和准直系统焦距；
步骤三，对准直系统设计与优化分析：按照所述准直系统参数和准直系统整 体长度、尺寸要求，选取合适的光学构型，设置有效的变量和优化操作数，优化 系统波像差，使其满足需求。
所述设计方法还包括验证激光环围能量能否满足效率需求的过程，具体包 括：
步骤四，将步骤三中得到的优化的好准直系统按照高斯光束传播分析，验证 经过所述光学系统后的激光环围能量是否满足效率需求；
步骤五，系统公差分析，按照实际加工情况，输入设定的曲率半径公差、面 形、中心厚度公差、面偏心、元件偏心、元件倾斜，补偿系统离焦，计算系统波 像差；
步骤六，计算光束发散角，并重复所述步骤四验算激光环围能量是否满足效 率需求。
进一步的，将所述设计方法应用于设定的光学系统中，则所述步骤一具体为： 用激光跟踪仪测量激光器出射高斯光束束腰至探测器距离d，对各光阑口径进行 测量，各测量结果记为Di,i＝1,2,3...，同时利用能量计测量出射的高斯光束能量， 各测量结果记为Ei,i＝1,2,3...；则发散半角
Figure BDA0002712069260000021
据此得到高斯光束环围能 量Ei与发散半角θi关系。
进一步的，所述步骤二具体为：
步骤2.1，高斯光束不同孔径下能量与总能量比值为：
Figure BDA0002712069260000022
其中 w0为光强为高斯光束束腰半径，a为孔径大小，按实测的高斯光束环围能量Ei与 发散半角θi关系，计算出发散半角θ1/2、光束直径D；
步骤2.2，数值孔径NA数值与θ1/2满足：NA＝sin(θ1/2)，准直系统F数与数值 孔径NA满足：F＝1/(2*NA)，准直系统焦距f满足：f＝F*D。
进一步的，所述步骤三具体为：
步骤3.1，按照系统参数和系统整体长度、尺寸要求，选取合适的光学构型； R1为第一透镜第一面的曲率半径，R2为第一透镜第二面的曲率半径，R3为第二透 镜第一面的曲率半径，R4为第二透镜第二面的曲率半径，R1＝∞，R2为凹面，保 证其反射的杂散光不返回到高功率激光器中，损坏激光器；同时，R3和R4的曲率 也保证其反射的杂散光不返回到高功率激光器中；
步骤3.2，减小透镜之间的间距，以保证两光学元件口径尽可能相近，降低 激光通量，将第一片透镜与激光光源间距拉长，设置曲率和间距为变量，优化系 统波像差，使其满足需求。
更近一步的，所述步骤四具体为：按照高斯光束传播分析，计算出束腰半径 为w0的高斯光束，经过所述光学系统后的高斯光束束腰半径w0'、光束直径D'， 利用Zemax物理光学分析计算环围能量，对比高斯光束环围能量Ei与发散半角θi关系，验证该束腰半径和光束直径下的环围能量是否满足效率需求，若不满足需 求，重复优化曲率至满足光束质量和效率需求。
作为一种优选，所述步骤五具体为：按照实际加工情况，输入曲率半径公差 N＝2、面形ΔN＝0.2、中心厚度公差0.02mm、面偏心0.02mm、元件偏心0.02mm、 元件倾斜2分，通过调节焦点至第一透镜间隔，补偿系统离焦，计算系统波像差， 使其满足需求。
近一步的，所述步骤六具体为：利用GEO为高斯激光经过所述光学系统后 的光束发散角，结合物理光学传播理论分析，计算环围能量，对比高斯光束环围 能量Ei与发散半角θi关系，验证该束腰半径和光束直径下的环围能量是否满足效 率需求，直至满足效率需求为止。
作为本申请的一种优选实施方式，所述的光学构型为：在距离激光光源一定 距离处平行设置第一透镜和第二透镜，所述第一透镜为凹透镜，第二透镜为凸透 镜；设R1为第一透镜第一面的曲率半径，R2为第一透镜第二面的曲率半径，R3为 第二透镜第一面的曲率半径，R4为第二透镜第二面的曲率半径，R1＝∞，R2为凹 面，保证其反射的杂散光不返回到高功率激光器中，损坏激光器；同时，R3和R4的曲率也保证其反射的杂散光不返回到高功率激光器中。
有益效果：
通过上述步骤即可完成高功率激光器准直系统的设计，解决准直系统在设计 中降低激光器功率和光束质量的问题，为准直系统最终有效使用提供保障。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明；
图1为高斯光束环围能量与发散半角关系测量示意图；
图2为准直系统初始构型示意图；
图3为经系统传输后的典型光束口径与环围能量曲线示意图。
具体实施方式
下面通过借助实例更加详细地说明本发明。
本发明提供的一种高功率激光器准直系统设计方法，测量并标定了高斯光束 环围能量与发散半角关系，为后续将测量结果转换到设计中以验证系统高效率使 用提供了保障；
所述设计方法包括如下步骤：
步骤一，测量高斯光束环围能量与发散半角关系；
步骤二，准直系统参数优化设计：结合效率需求，以及所述高斯光束环围能 量与发散半角关系，计算出束腰半径、光束直径；利用几何光学计算出高斯光束 数值孔径NA和准直系统焦距；
步骤三，对准直系统设计与优化分析：按照所述准直系统参数和准直系统整 体长度、尺寸要求，选取合适的光学构型，设置有效的变量和优化操作数，优化 系统波像差，使其满足需求。
所述设计方法还包括验证激光环围能量能否满足效率需求的过程，具体包 括：
步骤四，将步骤三中得到的优化的好准直系统按照高斯光束传播分析，验证 经过所述光学系统后的激光环围能量是否满足效率需求；
步骤五，系统公差分析，按照实际加工情况，输入设定的曲率半径公差、面 形、中心厚度公差、面偏心、元件偏心、元件倾斜，补偿系统离焦，计算系统波 像差；
步骤六，计算光束发散角，并重复所述步骤四验算激光环围能量是否满足效 率需求。
进一步的，将所述设计方法应用于设定的光学系统中，则所述步骤一具体为： 用激光跟踪仪测量激光器出射高斯光束束腰至探测器距离d，对各光阑口径进行 测量，各测量结果记为Di,i＝1,2,3...，同时利用能量计测量出射的高斯光束能量， 各测量结果记为Ei,i＝1,2,3...；则发散半角
Figure BDA0002712069260000051
据此得到高斯光束环围能 量Ei与发散半角θi关系。
进一步的，所述步骤二具体为：
步骤2.1，高斯光束不同孔径下能量与总能量比值为：
Figure BDA0002712069260000052
其中 w0为光强为高斯光束束腰半径，a为孔径大小，按实测的高斯光束环围能量Ei与 发散半角θi关系，计算出发散半角θ1/2、光束直径D；
步骤2.2，数值孔径NA数值与θ1/2满足：NA＝sin(θ1/2)，准直系统F数与数值 孔径NA满足：F＝1/(2*NA)，准直系统焦距f满足：f＝F*D。
进一步的，所述步骤三具体为：
步骤3.1，按照系统参数和系统整体长度、尺寸要求，选取合适的光学构型； R1为第一透镜第一面的曲率半径，R2为第一透镜第二面的曲率半径，R3为第二透 镜第一面的曲率半径，R4为第二透镜第二面的曲率半径，R1＝∞，R2为凹面，保 证其反射的杂散光不返回到高功率激光器中，损坏激光器；同时，R3和R4的曲率 也保证其反射的杂散光不返回到高功率激光器中；
步骤3.2，减小透镜之间的间距，以保证两光学元件口径尽可能相近，降低 激光通量，将第一片透镜与激光光源间距拉长，设置曲率和间距为变量，优化系 统波像差，使其满足需求。
更近一步的，所述步骤四具体为：按照高斯光束传播分析，计算出束腰半径 为w0的高斯光束，经过所述光学系统后的高斯光束束腰半径w0'、光束直径D'， 利用Zemax物理光学分析计算环围能量，对比高斯光束环围能量Ei与发散半角θi关系，验证该束腰半径和光束直径下的环围能量是否满足效率需求，若不满足需 求，重复优化曲率至满足光束质量和效率需求。
作为一种优选，所述步骤五具体为：按照实际加工情况，输入曲率半径公差 N＝2、面形ΔN＝0.2、中心厚度公差0.02mm、面偏心0.02mm、元件偏心0.02mm、 元件倾斜2分，通过调节焦点至第一透镜间隔，补偿系统离焦，计算系统波像差， 使其满足需求。
近一步的，所述步骤六具体为：利用GEO为高斯激光经过所述光学系统后 的光束发散角，结合物理光学传播理论分析，计算环围能量，对比高斯光束环围 能量Ei与发散半角θi关系，验证该束腰半径和光束直径下的环围能量是否满足效 率需求，直至满足效率需求为止。
作为本申请的一种优选实施方式，所述的光学构型为：在距离激光光源一定 距离处平行设置第一透镜和第二透镜，所述第一透镜为凹透镜，第二透镜为凸透 镜；设R1为第一透镜第一面的曲率半径，R2为第一透镜第二面的曲率半径，R3为 第二透镜第一面的曲率半径，R4为第二透镜第二面的曲率半径，R1＝∞，R2为凹 面，保证其反射的杂散光不返回到高功率激光器中，损坏激光器；同时，R3和R4的曲率也保证其反射的杂散光不返回到高功率激光器中。
本申请方法刚开始是计算初始参数(曲率半径、间距)下的光束质量和效率 是否满足需求，后面是要确认加入加工和装调误差后的参数还满足需求。如图1 所示，用激光跟踪仪测量激光器出射高斯光束束腰至探测器距离d，同时对各光 阑口径进行测量，各测量结果记为Di,i＝1,2,3...，同时利用能量计测量出射的高斯 光束能量，各测量结果记为Ei,i＝1,2,3...。则发散半角
Figure BDA0002712069260000061
据此得到高斯 光束环围能量Ei与发散半角θi关系。
高斯光束不同孔径下能量与总能量比值为：
Figure BDA0002712069260000071
其中w0为光强 为高斯光束束腰半径(对应光强1/e2)，a为实际孔径大小。按实测环围能量与发散 角关系，计算出发散半角θ1/2、光束直径D。
数值孔径NA数值与θ1/2满足：NA＝sin(θ1/2)，准直系统F数与数值孔径NA 满足：F＝1/(2*NA)，准直系统焦距f满足：f＝F*D。
按照系统参数和系统整体长度、尺寸要求，选取合适的光学构型，一般构型 如图2所示。R1＝∞,R2为凹面，保证其反射的杂散光不返回到高功率激光器中， 损坏激光器。同时，R3和R4的曲率也应保证其反射的杂散光不返回到高功率激光 器中。
采用光学设计软件Zemax，将透镜1和透镜2的间距尽可能设计小，以保证 两光学元件口径尽可能相近，降低激光通量。同时，考虑透镜1的激光能量密度， 将第一片与光源间距尽可能拉长。设置曲率和间距为变量，优化系统波像差，使 其满足需求。
按照高斯光束传播分析，计算出束腰半径为w0的高斯光束，经过该系统后的 高斯光束束腰半径w0'、光束直径D'，利用Zemax物理光学传播分析模块，计算 环围能量如图3所示。对比高斯光束环围能量Ei与发散半角θi关系，验证该束腰 半径和光束直径下的环围能量是否满足效率需求，若不满足需求，在Zemax中微 调间距，将曲率半径设置为变量进行优化，直至满足光束质量和效率需求。
按照实际加工情况，输入合理的曲率半径公差N＝2、面形ΔN＝0.2、中心厚 度公差0.02mm、面偏心0.02mm、元件偏心0.02mm、元件倾斜2分，通过调节 焦点至第一片透镜间隔，补偿系统离焦，计算系统波像差，使其满足需求。
利用此时Zemax仿真出的点列图中GEO为高斯激光经过系统后的光束发散 角，结合物理光学传播理论分析，计算环围能量。对比高斯光束环围能量Ei与发 散半角θi关系，验证加入加工和装调偏差后的环围能量是否满足效率需求，若不 满足需求，在Zemax中微调间距，优化曲率半径，直至满足效率需求为止。
上述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和调整，这些改进 和调整也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高功率激光器准直系统设计方法，其特征在于，该方法测量并标定了高斯光束环围能量与发散半角关系，为后续将测量结果转换到设计中以验证系统高效率使用提供了保障。
2.根据权利要求1所述的高功率激光器准直系统设计方法，其特征在于，所述设计方法包括如下步骤：
步骤一，测量高斯光束环围能量与发散半角关系；
步骤二，准直系统参数优化设计：结合效率需求，以及所述高斯光束环围能量与发散半角关系，计算出束腰半径、光束直径；利用几何光学计算出高斯光束数值孔径NA和准直系统焦距；
步骤三，对准直系统设计与优化分析：按照所述准直系统参数和准直系统整体长度、尺寸要求，选取合适的光学构型，设置有效的变量和优化操作数，优化系统波像差，使其满足需求。
3.根据权利要求2所述的高功率激光器准直系统设计方法，其特征在于，所述设计方法还包括验证激光环围能量能否满足效率需求的过程，具体包括：
步骤四，将步骤三中得到的优化的好准直系统按照高斯光束传播分析，验证经过所述光学系统后的激光环围能量是否满足效率需求；
步骤五，系统公差分析，按照实际加工情况，输入设定的曲率半径公差、面形、中心厚度公差、面偏心、元件偏心、元件倾斜，补偿系统离焦，计算系统波像差；
步骤六，计算光束发散角，并重复所述步骤四验算激光环围能量是否满足效率需求。
4.根据权利要求2所述的高功率激光器准直系统设计方法，其特征在于，将所述设计方法应用于设定的光学系统中，则所述步骤一具体为：用激光跟踪仪测量激光器出射高斯光束束腰至探测器距离d，对各光阑口径进行测量，各测量结果记为Di,i＝1,2,3...，同时利用能量计测量出射的高斯光束能量，各测量结果记为Ei,i＝1,2,3...；则发散半角
Figure FDA0002712069250000011
据此得到高斯光束环围能量Ei与发散半角θi关系。
5.根据权利要求4所述的高功率激光器准直系统设计方法，其特征在于，所述步骤二具体为：
步骤2.1，高斯光束不同孔径下能量与总能量比值为：
Figure FDA0002712069250000021
其中w0为光强为高斯光束束腰半径，a为孔径大小，按实测的高斯光束环围能量Ei与发散半角θi关系，计算出发散半角θ1/2、光束直径D；
步骤2.2，数值孔径NA数值与θ1/2满足：NA＝sin(θ1/2)，准直系统F数与数值孔径NA满足：F＝1/(2*NA)，准直系统焦距f满足：f＝F*D。
6.根据权利要求4所述的高功率激光器准直系统设计方法，其特征在于，所述步骤三具体为：
步骤3.1，按照系统参数和系统整体长度、尺寸要求，选取合适的光学构型；R1为第一透镜第一面的曲率半径，R2为第一透镜第二面的曲率半径，R3为第二透镜第一面的曲率半径，R4为第二透镜第二面的曲率半径，R1＝∞，R2为凹面，保证其反射的杂散光不返回到高功率激光器中，损坏激光器；同时，R3和R4的曲率也保证其反射的杂散光不返回到高功率激光器中；
步骤3.2，减小透镜之间的间距，以保证两光学元件口径尽可能相近，降低激光通量，将第一片透镜与激光光源间距拉长，设置曲率和间距为变量，优化系统波像差，使其满足需求。
7.根据权利要求4所述的高功率激光器准直系统设计方法，其特征在于，所述步骤四具体为：按照高斯光束传播分析，计算出束腰半径为w0的高斯光束，经过所述光学系统后的高斯光束束腰半径w0'、光束直径D'，利用Zemax物理光学分析计算环围能量，对比高斯光束环围能量Ei与发散半角θi关系，验证该束腰半径和光束直径下的环围能量是否满足效率需求，若不满足需求，重复优化曲率至满足光束质量和效率需求。
8.根据权利要求4所述的高功率激光器准直系统设计方法，其特征在于，所述步骤五具体为：按照实际加工情况，输入曲率半径公差N＝2、面形ΔN＝0.2、中心厚度公差0.02mm、面偏心0.02mm、元件偏心0.02mm、元件倾斜2分，通过调节焦点至第一透镜间隔，补偿系统离焦，计算系统波像差，使其满足需求。
9.根据权利要求4所述的高功率激光器准直系统设计方法，其特征在于，所述步骤六具体为：利用GEO为高斯激光经过所述光学系统后的光束发散角，结合物理光学传播理论分析，计算环围能量，对比高斯光束环围能量Ei与发散半角θi关系，验证该束腰半径和光束直径下的环围能量是否满足效率需求，直至满足效率需求为止。
10.根据权利要求6至9任一项所述的高功率激光器准直系统设计方法，其特征在于，所述的光学构型为：在距离激光光源一定距离处平行设置第一透镜和第二透镜，所述第一透镜为凹透镜，第二透镜为凸透镜；设R1为第一透镜第一面的曲率半径，R2为第一透镜第二面的曲率半径，R3为第二透镜第一面的曲率半径，R4为第二透镜第二面的曲率半径，R1＝∞，R2为凹面，保证其反射的杂散光不返回到高功率激光器中，损坏激光器；同时，R3和R4的曲率也保证其反射的杂散光不返回到高功率激光器中。
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