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1、第17卷第2期福建师范大学学报(自然科学版)Vol.17No.22001年6月JournalofFujianTeachersUniversity(NaturalScience)Jun.2001文章编号:1000-5277(2001)02-0035-05a激光准直系统的设计翁开华,刘金清(福建师范大学实验中心,福建福州350007)摘要:介绍长距离激光准直指向系统的设计方法,阐述半导体激光水准仪的设计.关键词:发散角;光束变换;准直指向;半导体激光器中图分类号:0434.19文献标识码:Aaa激光指向仪广泛应用于各种工程施工测量中
2、,特别是地下照明条件较差的工程施工测量,使用激光指向来建立作业基准线.对指向仪器一个很基本的要求是激光束的发散角要小,从激光器射出的激光束,由于其发散角往往都不是很小,有的甚至很大,所以在应用时,要经过光学系统进行准直.所X0K谓准直,就是减少高斯光束的发散角,使其变成平行光束.由高斯光束远场发散角关系式H==Z0PX0可知,只有通过变换高斯光束增大它的束腰半径X0或等效共焦参数Z0,才能减小高斯光束的发散角.1准直系统的设计以单横模He—Ne激光器为光源的指向仪,由于其发射的光束是轴对称光束,发散角只有一毫弧度左右,作为长距离
3、测量指向,其准直光学系统的设计较为简单.可以籍助于一个镜组,例如单透镜,使入射高斯光束的束腰与光学系统的前焦面重合,而透镜本身是长焦距的就可以.这种减小激光束的发散角方法,由于仪器外形尺寸庞大而不适用.1.1双镜组(逆向望远镜)系统最合理减小激光束发散角的系统是双镜组系统,对激光束连续两次交换.系统的第一镜组可以是正的,也可以是负的.负的镜组能够得到更紧凑的系统.第二镜组往往是正的,这种系统的角放大率按下式确定:2H2′2X01Z01M===,(1)2H12X02′Z02′式中2H1、2H2′分别为入射激光束和变换后的激光束的发
4、散角,2X01、2X02′分别为入射光束和变换后的光束的束腰直径,Z01、Z02′分别为入射光束和变换后光束的等效共焦参数.现在讨论双镜组计算的基本关系式.高斯光束经双镜组变换的示意图如图1,束腰直径为2X01的激光束经第一镜组变换后束腰位置和等效共焦参数为:2V1f1′V1′=-22,(2)V1+Z012Z01f1′Z01′=22õ(3)V1+Z01a收稿日期:2000-11-23a基金项目:福建省教委基金资助项目(KD1024)a作者简介:翁开华(1945—),男,福建仙游人,高级工程师.36福建师范大学学报(自然科学版)2
5、001年为了使经第二镜组变换以后的激光束得到最小的发散性,必须使入射激光束经第一镜组变换后束腰直径具有最小的尺寸,并位于第二镜组的前焦面上,即V2=0.可以应用短焦距镜组来保证上述第一个条件.换言之,第一镜组要解决的问题与激光束会聚的问题是相似的.满足上述第二个条件意味着,第一镜组的后焦点应位于离第二镜2V1f1′组前焦点距离V1′处,V1′=-22.这一距离V1+Z01称为光学间隔,用$表示,即V1′=$.应该指出,大多数实际情况中,Z01>>f1′,因此$值比较小.因而,采用双镜组系统减小激光图1高斯光束经双镜组变换的示意图
6、束的发散性时,应接近于望远系统,其散焦量V1′=$.经第一镜组变换后的激光束对于第二镜组来说,是物空间的光束,即2X01′=2X02,Z01′=Z02.所以2Z02f2′在V2=0时,由Z02′=22式得V2+Z0222f2′f2′Z02′==õ(4)Z02Z01′此时第二镜组的像方等效共焦参数Z02′为极大值.根据(1)式,高斯光束通过双镜组系统的角放大率等于:2Z01f1′Z01M==22õ(5)Z02′f2′V1+Z01在$=0时,双镜组系统为望远系统,它的角放大率为:f1′M=.(6)f2′由于(5)式根号内表达式总是小
7、于1,比较(5)式与(6)式可知,对于散焦系统,其角放大率以及激光束的发散性都较望远系统为小.由于第二镜组物方束腰位于前焦平面上,其像方束腰必然在后焦平面上,这种形式结构准直效果最理想.综上所述,为了减小激光束的发散性,双镜组的计算可以按以下步骤进行:(a)对于给定的激光器,已知光束的角发散性为2H1,束腰直径为2X01,根据结构或外形尺寸条件,选定束腰相对第一镜组前焦点的位置为V1,第一镜组通光口径D1=3X1z.X1z为第一镜组主面位置上光束截面半径.在系统像差校正(只需校正球差与正弦差)不产生很大困难的条件下,确定第一镜组
8、的D1相对孔径值,然后选择第一镜组的焦距f1′.f1′(b)按照(2)式求出光学间隔$=V1′.(c)按照(3)式求出经第一镜组变换的激光束的等效共焦参数Z02(Z02=Z01′).(d)由仪器技术要求所给的系统输出光束所必需的发散角2H2′,按照(1)式确定系
