擴束系統設計
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
擴束系統設計的實例教程
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 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 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 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 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。
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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
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。
VirtualLab Fusion 軟件能夠設計用于激光光束整形和傳導的透鏡和反射鏡系統。
折射透鏡和反射鏡系統的設計是激光光束控制的基礎，如：
?準直
?聚焦
?光束傳導
?激光掃描儀
?橫向光束整形
VirtualLab Fusion軟件能夠對使用光線追跡方法設計的激光系統的性能進行進一步的提升?？赏ㄟ^參數優化和蒙特卡羅公差技術，并結合經典場追跡模擬引擎（其考慮了衍射和偏振的物理光學效應
這里我們主要討論擴束系統的設計。
3、光學系統設計實例，包括經典成像系統和無焦準直擴束系統的設計，從初始結構設計到最終系統分析、優化全過程。從簡單的單透鏡、雙膠合設計到復雜的多重結構，變焦鏡頭、掃描鏡頭設計。
4、Zemax的優化技巧探討，設定評價函數及評估系統性能的方法，優化操作函數的選擇，玻璃材料的優化方法。
5、衍射光學理論，衍射極限系統分析，MTF傳遞函數定義及作為評價標準時對優化操作的要求。
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
3、光學系統設計實例，包括經典成像系統和無焦準直擴束系統的設計，從初始結構設計到系統分析、優化全過程。從簡單的單透鏡、雙膠合設計到復雜的多重結構，變焦鏡頭、掃描鏡頭設計。
4、ZEMAX的優化技巧探討，設定評價函數及評估系統性能的方法，優化操作函數的選擇，玻璃材料的優化方法。
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。
概述
衍射光學元件(DOE)光束整形器的初始結構
優化模擬退火
FLUX光通量均勻性
MMA空間頻率
降低空間頻率利于制造
DPROP衍射傳播分析光通量分布
設置工作目錄
選擇Dbook工作目錄
參考Donald Dilworth《Lens Design Automatic and quasi-autonomous computational
