擴束的案例
基于Zemax的高能激光發射系統的擴束系統設計
關鍵詞：高功率激光發射系統；擴束系統
1 引言
高功率激光發射系統是強激光空間傳輸系統中不可缺少的裝置。對高功率激光發射系統的研究一直是激光應用領域的關鍵技術問題。高功率激光發射系統通常由準直系統、導光光路系統和擴束系統組成,光學系統要求具有高抗激光損傷閾值、高反射率、熱變形小等特點。這里我們主要討論擴束系統的設計。
2 設計要求
項目
指標要求
發散角
<3mrad
擴束前光束寬度
45mm*45mm
擴束比
2
系統波像差
λ/4
波長
10.6um
兩鏡間距
200mm左右
3 設計方案選擇
由于激光波長較長，出射光束直徑較大，大口徑透鏡材料價格昂貴，反射系統便于冷卻，同時為了避免中心遮攔對激光能量的損失,提高系統的發射能量，故高功率激光擴束系統選擇離軸無焦卡塞格林系統進行擴束。所設計的離軸卡塞格林擴束系統,其擴束倍率為2倍,主鏡離軸量265mm,次鏡離軸量132.5mm,主鏡為凹拋物面,次鏡為凸拋物面。
4設計步驟
根據主次鏡間距和擴束比計算主次鏡的曲率半徑，主次鏡曲率半徑分別為800mm和400mm。
展開 Zemax案例 | 一種低波前差變倍擴束系統的設計
基于雙膠合透鏡的低波前差變倍擴束系統設計
激光擴束系統作為激光技術的核心支撐設備，在激光雷達、激光通信、全息攝影、空間探測等領域發揮著不可替代的作用。它通過壓縮激光發散角、調整光斑尺寸，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，傳統擴束系統常面臨“變倍靈活性差”“像差控制難”“波前質量低”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計了基于雙膠合透鏡的低波前差變倍擴束系統[1]。該系統采用機械補償式三組元結構，以BK7與F2玻璃雙膠合透鏡組為核心，通過Zemax軟件仿真優化，實現了2~6.4×的連續變倍擴束，系統總長控制在250mm內，光程差僅0.1波長左右，各項性能指標達到行業先進水平，為激光技術高精度應用提供了全新解決方案。
激光變倍擴束的技術痛點與行業需求
激光技術的廣泛應用，對擴束系統提出了更高要求：一方面，激光器天然存在發散角，需通過擴束壓縮以實現遠距離傳輸（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，連續變倍擴束成為核心技術訴求。
當前主流擴束系統分為透射式與反射式兩類[2]：
透射式系統：隨口徑增大需復雜結構校正色差，體積大、靈活性差；反射式系統：雖能避免色差，但存在遮擋問題，影響激光發射效率。
此外，市面多數產品或固定擴束比（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”。
展開 基于zemax的折疊光路的激光擴束系統設計
激光擴束系統是激光干涉儀、激光測距儀、激光雷達等諸多儀器設備的重要組成部分，其光學系統多采用通過倒置的望遠系統，來實現對激光的擴束，其主要作用是壓縮激光束的空間發散角，使擴束后的激光束口徑滿足其他系統的要求。
激光器發出的光束直徑很細小，通常只有零點幾到幾毫米，激光束的這些特性在某些方面是很有用的。然而在一些應用領域中需要的確是寬光束，如激光全息、光信息處理、激光照明、激光測距等。例如在激光干涉儀的應用中，它要照射比激光束口徑大得多的被測物體，然后通過光束的干涉來實現測量。又如在激光的全息應用中，它要照射比激光束口徑大得多的全息記錄介質，以實現信息的記錄和重現。因此需要使用激光擴束系統來實現激光束的準直擴束。
本文設計的是一種帶折疊光路的激光擴束系統，可以有效節省系統空間。
設計要求：EPD=10mm、f2/f1=10、波長1064nm、輸入輸出均為準直光、系統總長<450mm、使用兩個平面鏡折疊光路、波前差、。
設計步驟
1、 系統參數設定
孔徑類型選擇入瞳直徑，孔徑值輸入10，；波長選擇ND：YAG，或者直接輸入1.064，其它保持系統默認。
2、 建立系統結構
在鏡頭數據編輯器中輸入如下初始結構數值。
設置變量優化初始結構。
查看布局圖和標準點列圖。
添加反射鏡，第一塊反射鏡X傾斜-90°，第二塊反射鏡X傾斜90°。
設置雙膠合透鏡，使光路平行出射。
進一步優化結構參數，此時針對平行光優化評價函數要選擇波前。
查看3D布局圖和波前圖。
3、 控制系統總長
打開評價函數編輯器，插入空行，并改為OPLT來控制總長，設置如下。
最后再根據需求修改鏡片尺寸等參數。
如果有相關需要,歡迎通過公眾號"320科技工作室"和我們聯絡
展開 高功率激光擴束難控像差？OAS軟件搞定系統性能優化
簡介
激光擴束準直系統是激光傳輸、激光加工、激光雷達及天文觀測等領域的核心光學組件，可按指定倍率擴大光束直徑、壓縮發散角，保障長距離傳輸時的高平行度與高能量密度。本案例依托 OAS 光學軟件，完成激光擴束準直系統的全流程建模、仿真、優化與性能驗證，精準量化光束傳播特性、像差水平與準直性能，為工程化設計提供可靠數據支撐與優化方向。
案例設置與操作
模型構建
采用 OAS 軟件序列光線追跡模式，構建擴束準直結構，由負透鏡與正透鏡組合而成，無內部實焦點，適配高功率激光應用場景。透鏡材料選用熔融石英，匹配紅外波段低吸收與高激光損傷閾值需求；表面鍍制寬帶增透膜，控制反射率，提升光能利用率。
光源與探測器設置
在軟件光源模塊中創建高斯光束光源，精準匹配實際激光器輸出模式，設定束腰半徑、光軸方向與能量分布。于系統出射端設置近場光斑探測器、遠場發散角探測器與波前探測器，同步采集光束直徑、發散角、能量分布及波前畸變數據，排除環境噪聲與無效信號干擾，保障結果準確性。
分析優化
執行序列光線追跡，生成三維光路追跡圖與光束傳播動畫，直觀呈現擴束、準直全過程。以發散角最小化、波前誤差最優化為目標，啟用軟件內置優化算法，將透鏡曲率半徑、厚度、空氣間隙設為變量，自動校正球差、彗差等初級像差，完成多目標迭代優化。通過公差分析模塊，評估元件加工與裝調誤差對系統性能的影響，給出工程容錯范圍。
總結
本案例借助 OAS 光學軟件完成激光擴束準直系統全流程設計與仿真，實現從概念建模到性能驗證的一體化閉環，高效解決擴束倍率、發散角控制、像差校正等關鍵問題。軟件跨尺度仿真、智能優化與多維度分析能力，可縮短設計周期、降低實物試制成本，提升系統可靠性與工程適配性，為激光應用領域光學系統研發提供高效、精準的國產工具支撐。
展開 
基于Zemax平臺的激光擴束系統的設計
設計一個在波長λ =0.6382μm下操作的激光擴束器，光束輸入直徑為5mm，輸出直徑為25mm，輸入輸出均為準直光。系統總長不超過250mm.在實際的使用過程中,希望鏡頭的擴束效果比較好,所以在激光擴束后,波前差的PTV值小于λ/10.
對于激光擴束鏡，有兩種經典的結構，一種是開普勒型，一種是伽利略型。開普勒型在中間有個聚焦點，伽利略型卻沒有。對于激光擴束鏡而言，優先使用伽利略型。
設計步驟
1.系統設定
設置入瞳直徑5mm，無焦像空間。
零度視場
0.6328um波長
2. 建立初始結構
依據下圖的LDE 表鍵入各surface 的相關值
查看初始結構的波前差，初始結構的波前差有234的波長.
優化結構
將鏡片曲率和厚度設置成變量
打開merit function，在第1 行中把operand type 改為TTHI ,用來讀取系統總裁。在本設計中，要求總長小于250，第2行operand type 改為OPLT來控制總長。第3行operand type 改為reay，輸出直徑為25mm，在srf#中鍵入6，目標值設為12.5mm，表示在surface 中要控制他的ray height。
優化后，PTV值為0.0757波長。滿足設計要求
最后，如果有Zemax仿真相關需求，歡迎通過微信公眾號聯系我們。
微信公眾號：320科技工作室。
展開 VirtualLab Unity應用：5x~10x連續變倍擴束鏡
案例說明
激光擴束鏡廣泛應用于激光加工、光通信、測量與成像系統中，用于實現光束直徑放大、準直優化以及光束質量改善。其具有結構靈活、易于集成以及適應多種工作波段的優點，適合應用于各類激光光學系統。在本案例中，將在 VLU 中演示激光擴束鏡的設計過程，包括初始系統生成、評價函數定義、優化以及結果展示。
VirtualLab Unity應用：5x~10x連續變倍擴束鏡
應用場景
激光擴束鏡廣泛應用于激光加工、光通信、測量與成像系統中，用于實現光束直徑放大、準直優化以及光束質量改善。其具有結構靈活、易于集成以及適應多種工作波段的優點，適合應用于各類激光光學系統。在本案例中，將在 VLU 中演示激光擴束鏡的設計過程，包括初始系統生成、評價函數定義、優化以及結果展示。
案例說明
設計結果
設計結果如下，像質，系統規格、額外系統限制以及加工要求均滿足預期設計目標。
優化后系統的3D光線追跡視圖
初始系統生成
評價函數定義
根據系統規格、額外系統限制以及像質與加工要求，定義了各種與之對應的評價函數。
優化
GLAD：地對空激光通訊系統
# 能量歸一化設置
set/density 64 # 設置畫圖線條密度
title 1: starting laser distribution
plot/watch ex26_1.plt
plot/liso nsl=64 xr=1.5 yr=1.5 # 繪制激光束初始強度曲線
####激光器初始光束相位分布如圖1所示：
圖1激光器光束初始分布
##光束擴束器（20X）模擬
mirror 1 20 focallength # 擴束器透鏡1焦距設置為20cm.
dist -420 # 透鏡分離
mirror 1 400 focallength #擴束器透鏡2焦距設置為400cm.
abr/ast 1 .2 45 # 光束峰谷像散設置
clap/cir/con 1 25 # 設置孔徑光闌直徑50
phase/random/kolmogorov 1 10. 7 # 光束附加大氣像差
strehl
title 2: phase after beam expander and atmoshpheric turbulence
plot/watch ex26_2.plt
plot/liso/phase xr=30 yr=30 nsl=64 min=-6 max=6
圖2.經過擴束器及大氣干擾后光束相位分布
####光束傳輸至自適應鏡
adapt 1. 4.
展開 GLAD：地對空激光通訊系統
# 能量歸一化設置
set/density 64 # 設置畫圖線條密度
title 1: starting laser distribution
plot/watch ex26_1.plt
plot/liso nsl=64 xr=1.5 yr=1.5 # 繪制激光束初始強度曲線
####激光器初始光束相位分布如圖1所示：
圖1激光器光束初始分布
##光束擴束器（20X）模擬
mirror 1 20 focallength # 擴束器透鏡1焦距設置為20cm.
dist -420 # 透鏡分離
mirror 1 400 focallength #擴束器透鏡2焦距設置為400cm.
abr/ast 1 .2 45 # 光束峰谷像散設置
clap/cir/con 1 25 # 設置孔徑光闌直徑50
phase/random/kolmogorov 1 10. 7 # 光束附加大氣像差
strehl
title 2: phase after beam expander and atmoshpheric turbulence
plot/watch ex26_2.plt
plot/liso/phase xr=30 yr=30 nsl=64 min=-6 max=6
圖2.經過擴束器及大氣干擾后光束相位分布
####光束傳輸至自適應鏡
adapt 1. 4.
展開 FRED應用說明：相干光模擬
假設擴束器是光學系統的一部分，它需要第一表面距離激光源650毫米。一個例子是馬赫澤德干涉儀，在其臂處有不同的光束尺寸，如圖4所示。
圖4 馬赫澤德干涉儀的FRED模型，在一個臂處有擴束器。
仔細觀察圖3b，發現子光束輪廓直徑大約是6mm。擴束器的發散透鏡只有5mm的直徑。因此推斷二級光線被略去的似乎是合理的，但情況并不是這樣的。復合光線追跡的基本準則之一是：如果基準光線與一個表面相交，然后所有它的二級光線一定與同樣的表面相交。通過在數學上延展表面與每個二級光線相交，如圖5所示，FRED強制執行該準則。當執行光線追跡時，所有的光線通過該表面。
圖5 光學表面的數學延伸算法，用于與不和實際表面相交的二級光線相交。
有三種類型的相干光線的錯誤（在下面的部分中討論），如果它是不能正確地傳播的光線，在光線追跡后，FRED只顯示了一個警告。就好像如果它無法在數學上延伸必要的表面，它就會發生。在執行分析時，另外兩個相干光線錯誤只會產生一次警告。在擴束器的情況下，該追跡的光線沒有錯誤或警告，這是由于透鏡的球面很容易擴展。但是當執行分析時，問題升級了，因為二級光線不再與基準光線良好相關，子光束從完美的高斯型變成了過于發散。
光線狀態
FRED的光線狀態工具處理問題非常方便，如該擴束器模型，其中有一個問題，但細節和原因還不清楚。光線狀態會輸出目前系統中所有光線的狀態，如圖6所示。有三種類型的相干光線錯誤：
1.相干二級光線追跡錯誤（Coherent secondary ray raytrace errors:）：這表明，在光線追跡的過程中，發生了一些事件阻止了所有光線被正確追跡。在光線追跡完成后，描述了特定問題的一個警告呈現在輸出窗口的光線追跡摘要中。
展開 GLAD：地對空激光通訊系統
. # 能量歸一化設置
set/density 64 # 設置畫圖線條密度
title 1: starting laser distribution
plot/watch ex26_1.plt
plot/liso nsl=64 xr=1.5 yr=1.5 # 繪制激光束初始強度曲線
####激光器初始光束相位分布如圖1所示：
圖1激光器光束初始分布
##光束擴束器（20X）模擬
mirror 1 20 focallength # 擴束器透鏡1焦距設置為20cm.
dist -420 # 透鏡分離
mirror 1 400 focallength #擴束器透鏡2焦距設置為400cm.
展開 
使用相干光模擬馬赫澤德干涉儀
系統說明
? 光源
— 氦氖激光器(波長632.8nm；相干長度>1m)
? 元件
— 分束器和合束器，消色差準直透鏡系統，位相延遲器，待測球面透鏡
? 探測器
— 干涉條紋
? 建模/設計
— 光線追跡：初始系統概覽
— 幾何場追跡加(GFT+)：
? 計算干涉條紋。
? 分析對齊誤差的影響。
2. 系統說明
參考光路
3. 建模/設計結果
4. 總結
馬赫澤德干涉儀的干涉圖樣的計算
1. 仿真
以光線追跡對干涉儀的仿真。
2. 計算
采用幾何場追跡+引擎以計算干涉圖樣。
3. 研究
不同對齊誤差在干涉圖上的影響，如傾斜和偏移
利用VirtualLab軟件可對馬赫澤德干涉儀生成的干涉圖案進行研究分析。
應用示例詳細內容
系統參數
1. 仿真任務：馬赫澤德干涉儀
? 通過使用這種干涉儀設置，可測量兩完全相同光束線間的相對相移。
這使得可以對一個樣品元件引起的相移進行研究。
2. 說明：光源
? 使用一個頻率穩定、單模氦氖激光器。
? 因此，相干長度大于1m
? 此外，由于發散角很小，所以不需要額外的準直系統。
? 在入射干涉儀之前，高斯波以瑞利長度傳播。
3. 說明：光源
? 采用一個放大因子為3的消色差擴束器。
? 擴束器的設計是基于伽利略望遠鏡。
? 因此，在光學表面序列(OIS)中結合了一個擴束和準直系統。
? 與開普勒望遠鏡相比，在擴束系統中不會成實像。
4. 說明：光學元件
? 在參考光路中設置一個位相延遲平板。
? 位相延遲平板材料為N-BK7。
展開 【VirtualLab運用】使用相干光模擬馬赫澤德干涉儀
測量系統(MSY.0001 v1.1)
應用示例簡述
1.系統說明
?光源
—氦氖激光器(波長632.8nm；相干長度>1m)
?元件
—分束器和合束器，消色差準直透鏡系統，位相延遲器，待測球面透鏡
?探測器
—干涉條紋
?建模/設計
—光線追跡：初始系統概覽
—幾何場追跡加(GFT+)：
?計算干涉條紋。
?分析對齊誤差的影響。
2.系統說明
參考光路
3.建模/設計結果
4.總結
馬赫澤德干涉儀的干涉圖樣的計算
1.仿真
以光線追跡對干涉儀的仿真。
2.計算
采用幾何場追跡+引擎以計算干涉圖樣。
3.研究
不同對齊誤差在干涉圖上的影響，如傾斜和偏移
利用VirtualLab軟件可對馬赫澤德干涉儀生成的干涉圖案進行研究分析。
應用示例詳細內容
系統參數
1.仿真任務：馬赫澤德干涉儀
?通過使用這種干涉儀設置，可測量兩完全相同光束線間的相對相移。
這使得可以對一個樣品元件引起的相移進行研究。
2.說明：光源
?使用一個頻率穩定、單模氦氖激光器。
?因此，相干長度大于1m
?此外，由于發散角很小，所以不需要額外的準直系統。
?在入射干涉儀之前，高斯波以瑞利長度傳播。
3.說明：光源
?采用一個放大因子為3的消色差擴束器。
?擴束器的設計是基于伽利略望遠鏡。
?因此，在光學表面序列(OIS)中結合了一個擴束和準直系統。
?與開普勒望遠鏡相比，在擴束系統中不會成實像。
展開 Ansys Zemax｜如何設計無焦系統
在本文中我們將設計兩個簡單系統：激光擴束系統，一個完全的無焦系統；以及柱面系統，它在其中一個方向上是聚焦系統而在另外一個方向上是無焦系統。
無焦系統的優化
在本文的示例文件中包含一個關于擴束系統的初始結構文件beam_expander.zmx。其設計目標為在He-Ne激光波長下，實現光束的5倍擴束，并且擴束后的輸出光線具有最小的RMS波前差。在文件的初始結構中，沒有光學元件具有光焦度，因此光束沒有被放大：
點擊系統選項中的孔徑標簽欄，勾選“無焦像空間”選項，這樣OpticStudio會使用無焦系統的單位來計算所有的參數。
然后打開評價函數編輯器 (優化菜單中的評價函數編輯器)，選擇優化向導 (Optimization Wizard)工具：
需要注意的是，我們可以以最小波前差、光斑半徑（只計算X、Y方向或整體）或者角度誤差（只計算X、Y或徑向）為標準建立默認評價函數。在本例中為了得到像差校正的系統，我們選擇評價類型為波前 (Wavefront)，光瞳采樣的算法設置為高斯求積 (Gaussian Quadrature) 法，環數設為5。點擊確認按鈕構建默認評價函數。
我們還需要告訴OpticStudio的額外信息是輸出光束的尺寸。輸入光束的直徑為5mm，而光束的放大倍數為5倍，因此出射光束的直徑應為25mm。在評價函數編輯器中的操作數DMFS之前插入一個新的操作數REAY，并進行如下設置：
這會要求Y方向上的實際邊緣光線在表面6（像面）上的Y軸坐標為12.5mm。然后在優化菜單中選擇執行優化，點擊開始按鈕進行優化計算。
展開 光學傳感精度不足？橢圓光柵 + OAS軟件來破局
通過對二維橢圓光柵轉向擴束和耦出功能的模擬以及光線追跡和光柵足跡分析，為光學器件的設計、優化和性能評估提供了高效、準確的技術手段。該案例的成功應用，不僅有助于加深對二維橢圓光柵光學特性的理解，還為相關光學領域的研究和工程實踐提供了寶貴的經驗和參考，推動了光學技術在光通信、光學成像等領域的發展與應用。
