基于雙膠合透鏡的低波前差變倍擴束系統(tǒng)設(shè)計

激光擴束系統(tǒng)作為激光技術(shù)的核心支撐設(shè)備，在激光雷達、激光通信、全息攝影、空間探測等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。它通過壓縮激光發(fā)散角、調(diào)整光斑尺寸，解決了激光器固有物理特性導致的“傳輸距離有限”“適配性不足”等問題。然而，傳統(tǒng)擴束系統(tǒng)常面臨“變倍靈活性差”“像差控制難”“波前質(zhì)量低”等問題，難以滿足高精度場景需求。

近日，華中科技大學張學明組成功設(shè)計了基于雙膠合透鏡的低波前差變倍擴束系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)采用機械補償式三組元結(jié)構(gòu)，以BK7與F2玻璃雙膠合透鏡組為核心，通過Zemax軟件仿真優(yōu)化，實現(xiàn)了2~6.4×的連續(xù)變倍擴束，系統(tǒng)總長控制在250mm內(nèi)，光程差僅0.1波長左右，各項性能指標達到行業(yè)先進水平，為激光技術(shù)高精度應(yīng)用提供了全新解決方案。

激光變倍擴束的技術(shù)痛點與行業(yè)需求

激光技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對擴束系統(tǒng)提出了更高要求：一方面，激光器天然存在發(fā)散角，需通過擴束壓縮以實現(xiàn)遠距離傳輸（如激光通信需大口徑光束保證接收功率）；另一方面，不同場景（如激光測距、空間探測）對光斑尺寸的需求差異大，連續(xù)變倍擴束成為核心技術(shù)訴求。

當前主流擴束系統(tǒng)分為透射式與反射式兩類[2]：

• 透射式系統(tǒng)：隨口徑增大需復雜結(jié)構(gòu)校正色差，體積大、靈活性差；反射式系統(tǒng)：雖能避免色差，但存在遮擋問題，影響激光發(fā)射效率。

此外，市面多數(shù)產(chǎn)品或固定擴束比（如單一2×或6×），或變倍范圍窄、波前差大，難以兼顧“高精度”與“緊湊性”。

機械補償結(jié)構(gòu)與雙膠合透鏡的融合

1.機械補償式三組元結(jié)構(gòu)：實現(xiàn)連續(xù)變倍

系統(tǒng)采用“變倍組（L?）-固定組（L?）-補償組（L?）”的三組元架構(gòu)，如圖1所示，通過機械調(diào)整兩組元間距實現(xiàn)變倍：

• 變倍組（L?）：沿光軸移動距離q，改變系統(tǒng)總焦距；補償組（L?）：同步移動距離e，確保像點B'始終與L?焦點F?重合，避免像面偏移。

通過高斯光學公式推導，建立了間距與擴束比的關(guān)聯(lián)模型，通過該公式，可精準計算不同擴束比下的組元移動距離，為連續(xù)變倍提供理論支撐。

圖1 理論分析系統(tǒng)光路圖

2.BK7/F2雙膠合透鏡：解決色差與像差難題

雙膠合透鏡的材料組合直接決定像質(zhì)，選用BK7冕玻璃與F2火石玻璃搭配，核心優(yōu)勢在于：

• 色散互補：BK7阿貝數(shù)VD=64.17（低色散），F(xiàn)2阿貝數(shù)VD=36.37（高色散），可有效校正632.8nm氦氖激光的軸向色差，確保不同波長光線會聚于同一點；折射率適配：BK7折射率nD=1.5168，F(xiàn)2折射率nD=1.6200，差異適中，既保證折射效率，又避免界面反射損耗過大；工藝成熟：二者為光學設(shè)計經(jīng)典組合，膠合劑適配性好，可降低生產(chǎn)誤差對波前差的影響。

每組雙膠合透鏡均采用“BK7前片+F2后片”結(jié)構(gòu)：BK7提供穩(wěn)定的初步折射基礎(chǔ)，F(xiàn)2進一步校正像差，二者協(xié)同實現(xiàn)“低像差、高透光”的效果。

基于Zemax仿真搭建

1.核心參數(shù)確定

首先確定三組元初始焦距：變倍組（L?）-20mm、固定組（L?）50mm、補償組（L?）-60mm。針對“覆蓋典型應(yīng)用場景”需求，選取8個代表性擴束比（1.85×~6.4×），通過公式計算各組元初始間距（d?、d?），結(jié)果如下表所示：

表1 擴束系統(tǒng)初始組元間隔

2.Zemax仿真環(huán)境搭建

• 光源設(shè)置：參考市面HNR05R激光器，選取632.8nm氦氖激光（輸出功率≥5.0mW，發(fā)散角≤1.9mrad，光斑直徑1.0mm），切趾類型設(shè)為高斯（切趾因子=1）；光路搭建：按上述參數(shù)創(chuàng)建“物面-變倍組-固定組-補償組-像面”的完整光路，如圖2所示，直觀呈現(xiàn)不同擴束比下的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；初始問題識別：仿真發(fā)現(xiàn)，因近軸近似誤差，實際擴束比與理論值偏差20%~30%，且像質(zhì)欠佳，需進一步優(yōu)化。

圖2 Zemax仿真二維圖（8種擴束比結(jié)構(gòu)）

系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

為解決初始結(jié)構(gòu)的問題，以“緊湊化、低像差、高準直”為目標，通過Zemax多重結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能，對系統(tǒng)參數(shù)進行全方位調(diào)整。

1.優(yōu)化策略與約束條件

采用“固定組元間隔，調(diào)整透鏡半徑與厚度”的策略，同時設(shè)置多維度約束（對應(yīng)Zemax優(yōu)化操作數(shù)），確保系統(tǒng)性能達標：

表2 優(yōu)化操作數(shù)含義及目標

其中，特別提高畸變（DIMX）、波前像差（WFRN）、RMS光斑半徑（RMSR）的權(quán)重—因畸變直接影響成像真實性，波前差決定相位一致性，二者是“低波前差”設(shè)計的核心。

2.優(yōu)化后核心參數(shù)

通過多輪迭代優(yōu)化，最終確定系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)（部分物面結(jié)構(gòu)如表3所示），并解決了初始偏差問題：

表3 優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化后，系統(tǒng)實際擴束比范圍穩(wěn)定在2~6.4×，總長控制在250mm內(nèi)，完全滿足設(shè)計目標。

系統(tǒng)性能評價

通過Zemax的像差分析、公差模擬、波前檢測等工具，從5個核心維度驗證系統(tǒng)性能，結(jié)果均達到行業(yè)先進水平。

1.成像質(zhì)量：MTF曲線接近衍射極限

調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）是評價成像清晰度的核心指標，優(yōu)化后系統(tǒng)在空間頻率1.2周期/mr處，MTF值＞0.4，且曲線下降緩慢。

2.像差控制：場曲與畸變極小

場曲會導致像面彎曲（不同視場無法同時清晰），畸變會導致像形失真，二者是擴束系統(tǒng)的關(guān)鍵像差，結(jié)果如下：

• 場曲：弧矢場曲穩(wěn)定在0.016~0.028mm，子午場曲穩(wěn)定在0.047~0.084mm，遠低于行業(yè)平均水平；畸變：多數(shù)結(jié)構(gòu)最大畸變＜0.5%（平均值-0.6875%），僅8號結(jié)構(gòu)因邊緣效應(yīng)畸變稍高（4.22%），但仍在可接受范圍。

3.準直性能：激光發(fā)散角＜0.05°

激光準直性直接決定傳輸距離—發(fā)散角越小，遠距離傳輸時光斑擴散越慢。仿真結(jié)果顯示，所有結(jié)構(gòu)的激光發(fā)散角均＜0.05°，準直性能優(yōu)異，可滿足遠距離激光傳輸需求

4.公差穩(wěn)定性：加工誤差影響極小

通過Zemax蒙特卡羅模擬進行公差分析：

• 公差設(shè)置：曲率半徑、厚度、XY傾斜公差均為±0.01mm，刪除3、6面（平面）的傾斜公差（直接貼合機械結(jié)構(gòu)，無楔形誤差）；模擬方法：采樣數(shù)=4，RMS波前標準，20次正態(tài)分布模擬；結(jié)果：所有結(jié)構(gòu)在公差范圍內(nèi)的波前差＜0.04波長，說明加工與裝配誤差對擴束效果影響極小，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。

5.波前質(zhì)量：光程差＜0.05波長

光程差（OPD）反映不同路徑光線的相位一致性——OPD越小，相位越統(tǒng)一，可避免干涉條紋紊亂、成像模糊。結(jié)果顯示系統(tǒng)光程差＜0.05波長，波前函數(shù)的波峰-波谷差＜0.05波長，RMS值＜0.03波長。

研究價值與應(yīng)用前景

該文章的核心創(chuàng)新在于：以“機械補償三組元”實現(xiàn)靈活變倍，以“BK7/F2雙膠合透鏡”實現(xiàn)像差校正，以“Zemax多重結(jié)構(gòu)優(yōu)化”實現(xiàn)低波前差與緊湊設(shè)計的平衡，最終達成“2~6.4×變倍、≤250mm總長、0.1λ光程差”的綜合性能，較傳統(tǒng)系統(tǒng)在“變倍范圍”“波前穩(wěn)定性”“結(jié)構(gòu)緊湊性”上均有突破。

從應(yīng)用場景看，該系統(tǒng)可應(yīng)用于：

• 激光通信：壓縮發(fā)散角，提升遠距離通信的光功率接收效率；激光雷達：靈活調(diào)整光斑尺寸，適配不同距離目標的探測需求；空間探測：為激光望遠鏡系統(tǒng)提供核心擴束模塊，助力深空探測；全息攝影與激光測距：低波前差確保成像與測量精度。

Zemax軟件試用申請，歡迎聯(lián)系摩爾芯創(chuàng)。

參考文獻：

[1] LIU Yuchen, LIAO Cailin, LIANG Heyan, XU Zhimou, WANG Shuangbao, ZHANG Xueming. Design of low wave front differential amplification beam expanding system based on double glued lens[J]. Optical Technique, 2025, 51(5): 586

[2] Chen He, Sun Yuting, Tan Wangshu, et al. Optical design of a multi-stage confocal parabolic reflective laser beam expander sys? tem[J]. Acta Optica Sinica,2022,42（13）:1322001—1322007.