《高功率及大口径哈特曼扩束系统的设计研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高功率及大口径哈特曼扩束系统的设计研究（51页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、A B S T R A C I T od e s i g na n dr e s e a r c ho fH a r t m a n nb e a me x p a n d e rw i t hw i d ea p e r t u r ea c c o r d i n gt ot h et h e o r yo ft h et h i r d - o r d e ra b e r r a t i o n , b a s e do nt h es o f t w a r eo fo p t i c a ld e s i 鲷硒M A X b yt h ew a yo fd e s i g n i
2、n gas p e c i f i ce x a m p l eo ft h en e wt y p ee x p a n d e r ：T h ew a v d e n 舒ho fe n t r a n c er a yi sO 6 3 2 8 m ，t h er a t i oo fa m p l i f yi s4 5 ，t h ed i s p e r s i n ga n g l ei s2 m u r d ，t h ec a l i b e ri s2 0 0 m m , t h er a l t i v ec a l i b e ri s0 5 I nt h ee x a n p
3、 l e ，w et a k eas u r f a c eo fe x t e n d e da s p h e r ei n t ot h eo N e c td e s i g no fs y s t e r m ，i nt h ee x a m p l e ，w ec a nr e c t i f yt h e a b e r r a t i o no fs y s t e r mb e t t e r , t h eq u a l i t yo ft h ei m a g ec a nb ei m p r o v e dc o m p a r et ot h es u r f a c
4、 ei ss p h e r e ，I tC a l ls a t i s f yt h et e c h n o l o g yt a r g e tm o s t l y , I ta l s oc a no v e r c o m et h ed i f f i c u l t yo fe n s u r i n gt h ei m a g eq u a l i t yo fo f f - a x i so ft h es y s t e r m T h ea r t i c l eC a l lb ed i v i d e df o rf i v ep a r t s T h ef n
5、 - s to n e ，t os u m m a r i z et h ea i ma n dc o n t e n to ft h ea r t i c l e ；T h es e c o n do n e t h et h e o r yo fa h e r r a t i o na n de v a l u a t i o no fi m a g eq u a l i t y0 fo p t i c a ls y s t e r m ，I ta l s ot h eb a s e ；T h et h i r do n e , t oi l l u s t r a t et h et y
6、 p ea n dc h a r a c t e ro fb e a me x p a n d e r , t oe x p l a i nt h ec o m p u t a t i o no fa b e r r a t i o na n dt h et h e o r yo fd e s i g no ft h en e wt y p eb e a me x p a n d e r ；T h ef o u r t ho n e ，t oi n t r o d u c et h et h e o r ya n dp r o c e d u r e so ft h eo p t i c a
7、ls o f t w a r e ；T h ef i f t ho n e ，t h r o u g ht h es p e c i f i ce s a m p l et od e s i g na n da n y l y s i st h en e wb e a me x p a n d e r , a n dt oe v a l u a t et h ei m a g eq u a l i t y K e yw o r d s ：b e a me x p a n d e ro fH a r t m a n n ，o p t i c a ld e s i g n ，a b e r r a
8、 t i o nt h e o r y , Z E M A X长春理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文高功率及大口径哈特曼扩束系统的设计研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 名：她姐K 日长春理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印
9、件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名：器舜边星年日指导导师签名：乏孚琵或2 翌呈年扫2 互1 1引言第一章绪论光学是- - 1 “ 7 历史悠久的学科。2 0 世纪6 0 年代初，激光器的诞生使光子成为信息和能量的有效载体。随着光学技术、激光技术和光电子技术的发展，光学在信息科学、能源科学、材料科学、空间科学、精密机械、计算机科学、微电子技术、生物医学等科学领域和工程技术领域中，发挥着越来越重要的作用。光学工程是光学在工程技术应用领域的延伸。它应用光学原理和方
10、法，解决、处理光学以及相关技术领域科学研究和生产实践中的工程技术问题。主要包括光源、光传输与变换、光信号检测与存储、光信息处理、光学全息、光电成像与显示、光通信与光电传感、激光加工与处理、微光与红外热成像技术、光电测量、光集成技术、光电子仪器及器件、光学遥感技术，以及各种工程技术中与光学有关的器件、系统的制造、运行、测量和控制等相关方面的工程技术。光学工程领域与物理学、电子科学与技术、信息与通信工程、仪器科学与技术、计算机科学与工程、材料科学与工程、控制科学与工程、机械工程、生物医学工程等工程领域均有紧密的联系。现代物理场的光学测量已有多种测试方法：全息干涉法、纹影法、阴影法、莫尔偏折法、散斑
11、法及激光诱导荧光法等它们各有其优点，也有其不足之处干涉法是以波长为基准的高准确度测量方法，必须在严格防震的条件下工作，对测试环境要求高，工程应用较为困难另外干涉法也不适于折射率梯度大的场测量I 纹影法、阴影法由于忽略了光学系统的衍射效应，在场的定量计算时存在较大误差，因此多用于流场的定性显示I 莫尔偏折法、散斑法的数据处理较为复杂，费时费力，激光诱导荧光法与分子激发态有关，由于受到猝灭的影响而产生较大误差等等：哈特曼波前传感器是一种常见的波前探测器，已广泛应用于自适应光学系统、激光光束质量诊断、光学检测等诸多领域基于哈特曼波前探测的流场层析重建系统( 以下简称为H S - T O M O 系统
12、) 通过哈特曼探测光束穿过流场后的波前斜率，采用计算机层析技术重建流场折射率的空间分布，它是一种新型的流场测量方法，具有结构原理简单、数据处理方便、动态范围可调整和实时性好等诸多优点系统波前的精确测量是表征光束质量、确定系统性能的一种手段。在纳秒级激光器中，自适应光学技术的应用已经非常成熟【”。哈特曼一夏克型波前传感器也是目前常用的测量静态或动态波前像差的工具。它的基本原理是把波前划分为若干个子孔径，在各个子孔径上分别测量两个诈交方向上的波前偏导值，即波| j 斜率，然后根据子孔径上的波I i i 斜率进行波盼复原计算，得到整孔径上的波前像差。常用的波前复原算法有模式法和区域法等由于测量的动态
13、范围大和适用于相干和非相干光的检测等特点，H a r t m a n n 波前传感器已被广泛应用于激光系统和大气自适应光学的波前畸变传感中。在哈特曼波前传感器测量波前的过程中，待测波前被微透镜阵列分割成子孔径，位于微透镜焦平面上的C C D 接收到微透镜阵列厥形成的光斑阵列，通过一套实时数据采集和处理设备，哈特曼波前传感器能实现光束的波前相位分布和强度分布的自动测量。为了实现数据处理过程的自动进行，哈特曼波前传感器实时数据处理软件能够自动地寻找到各个子光斑所在的位置。哈特曼波前测量的基本原理，利用C C D 阵列或四象限探测器来测量光束波阵面上各分割子孔径成像的星点光强分布以获得各子孔径上的波
14、面斜率，再通过斜率与位相的数学变换关系重构波前位相。这种测量方法首先需要对测量系统自身进行标定，即先运用一束平行光记录一幅系统自身的本底波前r e f e r e n c e O ，实际中需减去本底波前r e f e r e n c e O 后方可得到所要测量的波前像差【3 】。哈特曼波前传感器的工作原理如图卜l 所示图1 1 哈特曼波前传感器原理图本论文还介绍了O C A D ( o p t i c a lC A D ) 光学设计软件包，主要说明F o c u sS o f t w a r e公司的Z e m a x ，指出o c A D 光学设计软件包本身不仅具有光学设计软件最基本的功能，
15、而且可以利用自身功能界砸随时调用上述软件程序为其所用，做到各程序间有效链接，行为互动；o C A D 光学设计软件包还可以和文字处理及工作报表等通用程序，如W o r d 和E x c e l 等程序进行链接和互动。在计算机辅助设计软件中，光学设计自动化软件是随着微光子学、光电子学和深亚微米集成电路的发展而逐渐产业化的，相对于电子设计自动化软件而言，仍有许多有待完善和改进的地方。在验证方面主要从原理验证、合理性验证和实验验证来保证光学设计自动化软件的正确性和质量。1 2 哈特曼系统精密测量的发展光学元件面形测量，目前比较普遍使用斐索干涉仪，它能实现不同口径不同形状2光学元件面形检测的需要。相移
16、干涉计量是其主要的检测方式，应用比较广泛。剪切干涉术由于其共光路、无需专门参考光路的特点，能得到稳定的干涉条纹，对环境要求低、精度高，己被用于高功率激光输出波前的现场检测和液晶电视的位相调制特性研究) 等。目前已提出利用环路径向剪切干涉术这一优势，将其用于光学元件面形检测的方法，设计了用于光学元件面形检测的光路系统，实际结果表明，所提出的方法和光路系统能实现光学元件面形的准确检测，它为大口径光学元件面形的准确检测提供了一种新方法。激光波面干涉方法也己用于表面精密测量。然而，由于其严格的应用环境要求，普通激光波面干涉仪不可能用于在线表面精密测量。不同于普通激光波面干涉仪，横向剪切干涉仪由于其白干涉特点，有较强的抗振抗干扰能力。已有多种不同的横向剪切干涉原理用于光波波前和精密表面测量实验研究，然而它们不便于剪切量调整和相移操作，结构上复杂，稳定性差，不适合实际应用。为实现在线表面精密测量，基于双折射晶体特殊设计的剪切发生器，已研究了一种横向剪切干涉仪，使干涉仅结构上简单紧密，完全共光路，能方便实现剪切量调整和准确相移，非常不敏感
