激光指向仪的光学设计

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第34卷第4期山东大学学报(自然科学版)1999年l2月Vo1．34No．4JOURNALOFSHANDONGUNIVERSITYDec．1999激光指向仪的光学设计李宇飞侯学元孙渝明徐士华(山东大学光电学系)摘要以He-Ne激光为例，利用高斯光束的成像理论计算了激光指向仪中光学元件的参数．计算值与实际值基本相符．关键词激光指向仪；高斯光束；望远镜系统中图分类号TN249由于激光的发散度小，因而将激光传输到一个较远的光屏上仍可得到一个小的光斑，由此可做成激光定向仪和激

2、光准直仪，但诸如对木板的加工和装修业中，要求光斑为一直线，该直线可以预示实际加工中所循的轨迹．形成这种直线可以有几种形式，它可以通过振镜或转镜实现光束扫描，也可通过透镜变换实现．前者只有在扫描频率比较高时才能实现，且造价昂贵，但直线的均匀度比较好．后者结构简单，造价低廉，尽管直线的均匀度不及前者，但仍可满足实际需求，本论文按实际要求利用透镜成像原理设计和制造了激光指向仪，在设计过程中，根据高斯光束的成像原理和实际需求的直线长度确定了透镜焦距、可调距离等一系列参数．对于理论计算值与实际测量值存在的少许偏差，本文对此进

3、行了讨论．1理论光源采用He．Ne激光器(632．8nm)或半导体激光器(670nm)均可，现以He-Ne激光器为例，如用一柱透镜会聚一束截面为圆的平行光束，则在透镜焦点后的光屏上可得到一直线，且光屏距透镜焦点越远，该直线就越长．设该光束的发散角为0，透镜焦距为．厂，则聚焦光斑的大小为o=fo(1)由(1)式知0越小，则r．o0越小，聚焦后发散角就会越大，所得到的直线就会越长；尽管He—Ne激光的发散度很小，但为提高光束的平行度，仍需在经透镜聚焦前加一准直望收稿日期：1999—02—26维普资讯http://www

4、.cqvip.com442山东大学学报(自然科学版)第34卷远镜系统，进一步压缩光束发散角．另外调整望远镜系统还可使光束在距离指向仪一定距离的y方向成像，这样直线的两边更加清晰．光学系统如图1所示．ozz2He．Ne激光经Fl、F2组成的望远镜系统准直并经柱透镜F3会聚后，在X方向发散，最终在距系统为L的光屏处形成一条直线．由上可知，柱透镜F3的焦距越短，激光光斑形成的直线越长；考虑到准直后He-Ne激光光斑尺寸，故取F3为《2)31TIITI柱透镜，其焦距f3=2．251TIITI．因为He-Ne激光光束的直径为

5、0．6-0．81TIITI，所以Fl与F2组成的望远镜系统的放大倍数不应大于3倍，取fl=一10．571TIITI，f2=27．691TITI．忽略在y方向的成像光斑受F3的影响，直线在X方向的长度仅取决于望远镜系统对激光束的成像，故L2的调节范围就成为问题的关键所在．激光作为高斯光束，其聚焦光斑的大小依赖于束腰半径0．由公式(2)可计算出He-Ne激光器中基模(TEMoo)的束腰半径．coo=I()(LR—L)I(2)式中：0一基模束腰半径L—HNe激光器腔长(25cm)R一后反镜曲率半径150crn计算得0≈0

6、．11TIITI．平一凹腔H一N激光器其输出端的高斯光束特性可用q参数描述为qo=，激光指向仪输出光束在y方向的q参数在忽略F3的影响下可由下列T变换矩阵对激光器输出光的q参数变换获得．T=[L3][一；][][一；][]=(暑)c3维普资讯http://www.cqvip.com第4期李宇飞等：激光塑塑竺兰兰443式中：A：-一L3一：1[L3+L2(一L3]．．件1B(一)十(-一L~L2(-一L3)]定一式义c：一一去(中一为L：2)=，一为卜一+。处、二R1二，．斯脯r{=0一参B^D+Ac(譬)：。2结果

7、为L3：200处的高斯参数在为从表中可看出，只束要L2在19～21mm范围内可调，即可在5000～200mm范围内成腰像．令像点X方向光束的的长度为X，则条x=式中：一光束入射到柱透镜上光斑半径L一由柱透镜焦点到光束像点的距离Jf3一柱透镜焦距当≈2．1mitt时，得X：1．87L3讨论(1)由于HNe激光的发散度小，单色性好，作为近似计算要求可暂且忽略慧差、维普资讯http://www.cqvip.com山东大学学报(自然科学版)第34卷球差、和色差的影响．之所以造成计算值与实测值之间的误差，主要是因为将F】、F

8、2视为薄透镜，忽略了物方及像方主面所致．(2)由(6)式可知，X方向光束长度的大小与柱透镜焦点到光屏距离成正比，调节L可将该方向光束变细，增加其亮度．(3)图(2)为有望远镜系统和无望远镜系统情况下等像距时的光强分布图．由该图可看出，有望远镜系统比无望远镜系统所形成的直线细而长，这是由于望远镜系统压缩图2指向仪输出光束Fig．2OutputLightBeam