簡易激光擴束器的設(shè)計和制作

1、簡易激光擴束器的設(shè)計和制作簡易激光擴束器的設(shè)計和制作實驗?zāi)康募す鈹U束器是激光雷達、激光測距等光學(xué)系統(tǒng)中重要的光學(xué)部件，在上述 系統(tǒng)中一個優(yōu)良的光學(xué)系統(tǒng)是決定整個系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一。因此，理解 和設(shè)計出一個良好的擴束器成為一種必要。然而擴束器對于在實驗室內(nèi)學(xué)習(xí)的 學(xué)生而言卻顯得非常陌生，由于沒有現(xiàn)成的儀器，學(xué)生僅從理論上學(xué)習(xí)它，這 在一定程度上限制了學(xué)生的知識范圍。實驗系統(tǒng)的搭建不僅能讓學(xué)生清楚的理 解擴束器的原理，更能讓學(xué)生自己動手搭建系統(tǒng)，培養(yǎng)了學(xué)生理論聯(lián)系實際， 自我動手的能力。圖1擴束鏡二實驗原理2.2擴束鏡原理擴束鏡是能夠改變激光光束直徑和發(fā)散角的透鏡組件。從激光器發(fā)出的激 光束具

2、有一定的發(fā)散角，對于激光加工來說，只有通過擴束鏡的調(diào)節(jié)使激光光 束變?yōu)闇手保ㄆ叫校┕馐?，才能利用聚焦鏡獲得細小的高功率密度光斑；在激 光測距中，必須通過擴束鏡最大限度地改善激光的準直度才能得到理想的遠距 離測量效果；通過擴束鏡能改變光束直徑以便用于不同的光學(xué)儀器設(shè)備；擴束 鏡配合空間濾光片使用則可以使非對稱光束分布變?yōu)閷ΨQ分布，并使光能量分 布更加均勻。入射孔徑發(fā)散角出射孔徑圖2擴束鏡原理圖實驗方案及比較3.1棱鏡擴束法由于棱鏡材料的折射，使出射光方向與入射光方向不同，其入射角與棱鏡 頂角的變化可以引起光束寬度的改變.棱鏡擴束示意圖如圖1a .每個棱鏡的擴束 比為cos Y arcsin Y

3、也Y HPD/d二M=i（ 3-1 ）式中D為出射光的寬度；d為入射光的寬度；M為擴束比；©為入射角；©'為折射角；卩p是棱鏡的折射率。玻璃棱鏡的卩p=1.54.根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，d=2mm D=47mn則總的擴束比為(3-2)圖3棱鏡擴束系統(tǒng)若想用3個棱鏡完成擴束比，則每個棱鏡的擴束比應(yīng)為1M=Mn=2.8( 3-3 )由 M=cos arcsin(sin © / 卩 p) /cos =2.8，可近似算得© =81° .由折射定律卩p=sin © /sin ,可得=53° .在選擇棱鏡的頂角時，應(yīng)使得出射光束盡可能垂

4、直于出射面，以使這個出射面反射最小.由幾何學(xué)可知，應(yīng)取棱鏡頂角書= ©'=53° .實際的棱鏡擴束光路如圖1b。和下面的透鏡擴束相比，具有體積小，無象差等優(yōu)點，并同時使入 射光方向轉(zhuǎn)了近90°,用在系統(tǒng)光路中即擴展了光束， 也使光線方向發(fā)生改變， 起到了擴束鏡和反射鏡的雙重作用。3.2雙凸透鏡擴束法設(shè)透鏡的焦距為F，物距和象距分別為S°1和S°2，它們之間的關(guān)系為(3-4)當S°1 =F時，S°2=x,說明透鏡焦點上的一個點光源經(jīng)過透鏡后為一平行 光；當S2=F時，S01=,表明當入射光為一平行光時，經(jīng)過透鏡后，聚焦

5、在透鏡 的焦點上，如圖4所示。透鏡聚光原理利用這一特點，采用兩個焦距不同的透鏡，可以構(gòu)成如圖3所示的擴束和準直系統(tǒng).Fi、F2分別為兩個透鏡的焦距，由幾何光學(xué)原理很容易得出束寬放大 比率為M=設(shè)激光束直徑為d，(3-5)和棱鏡相比，透鏡存在相差的影響，其中最主要的是球差 .球差是由于非傍 軸光線通過透鏡時屈折得過分利害引起的，從而引起聚焦不好，如圖6a。但是如果把一塊透鏡想象成兩塊棱鏡在底部連接而成，那么明顯的是：當入射光線 同鏡面和出射光線同鏡面大致成同樣大小的角度時，入射光線的偏轉(zhuǎn)將最小， 在圖6b中，只要把透鏡翻轉(zhuǎn)過來，就使球差顯著減小，當入射光是平行光時， 對一個簡單的凸透鏡來說，若其

6、后表面幾乎為平面但不完全是平面時，將會有 最小的球差。由于光路是可逆的，用兩個透鏡進行擴束時，應(yīng)使兩個透鏡較平 的一面相對，來減小相差。圖6 一個平凸透鏡的球差3.3凹凸透鏡組合擴束法與4.2雙凸透鏡擴束法類似，講入射鏡片換成凹透鏡，兩透鏡間距為R = fi + f2(3-6)同樣，放大倍率的計算方法同公式(3-5)輸出鍍f2圖7凹凸透鏡組合擴束原理圖3.4方案比較與透鏡擴束器相比，棱鏡擴束器具有體積小、擴束比大、損耗低、偏振性 好等特點，但是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。最通用的透鏡擴束器起源于伽利略望遠鏡，通常包括一個輸入負透鏡和一 個輸出正透鏡。輸入鏡將一個虛焦點光束傳送給輸出鏡，兩個透鏡是虛共焦結(jié) 構(gòu)。

7、一般小于20倍的擴束鏡都用該原理制造，因為它簡單、體積小、價格也低 它的局限性在于不能容納空間濾波或者進行大倍率的擴束。綜上所述，我們決定主要采用透鏡擴束法中的凹凸透鏡組合進行實驗。同 時也采用雙透鏡擴束法進行對比。四方案實現(xiàn)我們使用的材料如下：焦距為45mm、50mm、225mm、300mm、-60mm的透鏡各一塊、透鏡架兩 個、光屏一個、激光器一臺，搭建透鏡擴束系統(tǒng)。五調(diào)試過程及結(jié)論5.1擴束系統(tǒng)的搭建和調(diào)試將各器件調(diào)整到同軸等高，按照3.2與3.3中的計算結(jié)果放置給器件的位置, 如下圖所示。圖8先將光屏放在激光器與第一片透鏡之間， 測量測量激光器發(fā)射出的激光束的 直徑。再將光屏放置在最后

8、一塊透鏡后，移動光屏，觀察光斑大小是否發(fā)生變 化，若光斑大小不變化則對直徑進行測量；否則微調(diào)兩片透鏡之間距離，直到 移動光屏?xí)r光斑大小不再變化。5.2數(shù)據(jù)記錄實驗數(shù)據(jù)記錄表前透鏡焦距?1?后透鏡焦距?2?光斑直徑D50mm225mm3.3mm-60mm300mm3.5mm45mm300mm3.8mm5.3數(shù)據(jù)分析根據(jù)公式（3-5 ）計算出理論放大倍率M鐞?，在根據(jù)光斑直徑與激光束直徑 的比值計算出實際放大倍率| o數(shù)據(jù)處理結(jié)果前透鏡焦距后透鏡焦距?2?光斑直徑D理論放大 倍率Af|實際放大倍 率Mi誤差50mm225mm3.3cm4.54.18.9%-60mm300mm3.5cm54.412.

9、0%45mm300mm3.8cm6.74.813.4%激光束直徑 d=0.8cm根據(jù)實驗結(jié)果可以看出，實際放大倍率與理工放大倍率還是有較大差距。 在實驗過程中，將透鏡按照理論計算結(jié)果擺放，移動光屏，光斑大小依舊會 發(fā)生變化，只有經(jīng)過仔細調(diào)整才能達到標準。這個過程可能會改變擴束系統(tǒng)的 放大倍率。另外在測量光斑直徑的過程中，發(fā)現(xiàn)光斑邊緣并不明顯，可能造成測量誤差 但總的來說，使用大倍率的透鏡組依然會產(chǎn)生較大的光斑。六實驗總結(jié)通過這次實驗，我們將課堂上學(xué)習(xí)到的知識運用到實際中， 對相關(guān)知識的理 解更加深刻。本次實驗，我們采用了雙凸透鏡和凹凸透鏡組合兩種方案來進行比較。在成像質(zhì)量上兩者并沒有明顯差距。

10、隨著放大倍率的增加，整個擴束系統(tǒng)的體積再 也增加。但使用凹凸透鏡組合可以有效減小整個系統(tǒng)的體積。所以在實際的生 產(chǎn)生活中，使用最廣泛的是由凹凸透鏡組合而成、類似伽利略望遠鏡的擴束系 統(tǒng)。這種擴束系統(tǒng)的特點是成本低、體積小、結(jié)構(gòu)簡單。在實驗中也遇到一些問題。比如，考慮到激光器發(fā)出的激光束也有較小的發(fā) 散角，那么激光器到第一片透鏡之間的距離對實驗結(jié)果會不會有影響。通過幾 次嘗試，我們認為基本沒有影響，雖然激光束也有一定的發(fā)散角，但幾乎可以 認為是平行光。如果將透鏡按照理論計算結(jié)果擺放， 我們發(fā)現(xiàn)，移動光屏?xí)r光斑大小也會發(fā) 生變化，只有仔細調(diào)整兩片透鏡之間的距離，才能保證移動光屏而光斑不發(fā)生 變化。我們也嘗試了使用物屏來代替激光束，并在物屏與第一片透鏡之間加一片透 鏡，以保證射入擴束系統(tǒng)的是平行光。但由于物屏遮擋了大部分光線，導(dǎo)致光 屏上呈現(xiàn)的像不明顯、不利于觀察，所以我們放棄了這種方案。我們也認識到理論和實際的差距， 實際中不可能像理論一樣完美， 但不能否 認理論依據(jù)起到的指向性作用。我們要以理論為依據(jù)