Φ0300激光扩束器光学系统设计

　　0　引言

　　扩束器中物镜的后焦点与目镜的前焦点相重合,入射和出射的光线都是平行光,仅是光束放大率β的变化.正因如此,扩束器在激光传输、激光通信、激光探测和激光干涉测量等领域中得到广泛的应用.扩束器主要有伽里略和开卜勒两种类型,这两种类型的扩束器仅轴上像差得到校正,轴外像差没有得到很好校正.对于要求用单一石英光学玻璃为材料,设计出物镜通光口径Φ0=300 mm,焦距f1=800 mm,相对孔径A1=1/2.67,放大率β= 30×,可换目镜分别使用三种激光器,λ1= 0.532μm,主波长λ2= 0.6328μm,λ3=1.064μm,视场角2w=±4 mrad (毫弧度),轴上波像差优于λ/20,轴外波像差优于λ/10的扩束器,采用这两种类型的扩束器是不可能实现的.本文从三级像差理论出发,分析伽里略和开卜勒型扩束器轴外像差没有得到很好校正的原因,设计出轴上和轴外像差都得到很好校正的,大口径、大相对孔径和视场可增大的新型扩束器.

　　1　设计分析

　　扩束器物镜的光焦度为φ1,目镜的光焦度为φ2必须满足的数学表达式为

　　式中,,非球面位于物镜的第一面,r01是顶点曲率半径,n、n′是折射率,e21是偏心率;h=lu=l′u′和hp=lpup=l′pu′p是轴上光线和主光线在透镜面上的高度,l和l′、lp和l′p是轴上光线和主光线的截距,u和u′、up和u′p是轴上光线和主光线与光轴的夹角,无′和带′表示透镜面前和后的有关参量,ν是阿贝数·假定光栏位于物镜上hp1=0处;物体位于无限远l1→∞,u1=0.以物镜进行规化h1=1,f′1=φ1=1,up1=-1,j=1.

　　由式(2)中的S4和式(1)可以看出,在伽里略扩束器和开卜勒扩束器中,如图1(a)和(b),S4=φ1/n+φ2/n≠0.对于伽里略扩束器,β>0,S4<0,φmφ2,产生负的像面弯曲,所说的匹兹瓦尔面(Petzvalsurface);对于开卜勒扩束器,β<0,S4>0,φnφ2,产生正的像面弯曲,目镜产生的像面弯曲的绝对值都很大.放大率β越大,目镜产生的像面弯曲也越大,这是上述两种扩束器轴外像差不好校正的主要原因.

　　按上述分析设计新型扩束器,如图1(c),将两种扩束器的目镜组合在一起,重新分配光焦度,物镜光焦度φ1,目镜前组光焦度φ21,后组光焦度φ22,满足S4=0的条件是

　　2　设计方法与结果

　　在S4=0的前提下,按式(3)给定β,确定光焦度φ分配后,就可以进行光学系统设计[3~5].

　　2.1　物镜设计

　　未规化的PW与规化的PW的关系为

　　按式(2)~(7)进行光学系统设计,在规化条件下,h1=1,φ1=1,u′1=1,f′1=1,为了降低高级像差,将单块透镜分为双块透镜[6],φ1=φ11+φ12=2φ11=1,φ11=1/2,光焦度均分如图2.物镜的设计方法如下: