摘要：針對板條激光器出射光束的尺寸控制問題，設計了一個在X方向擴束倍率為14 ~ 20x，Y方向擴束倍率為1.25 ~ 1.55x的二維連續變焦擴束光學系統。通過對三組元變焦系統的分析，在理論上推導出固定組、變倍組以及補償組之間的運動軌跡。利用ZEMAX對理論值進行優化，使系統像差滿足使用要求。該系統工作波長為1064nm,可將尺寸在一定范圍內的出射光束擴束整形至35~40mm。該系統具有結構簡單、變焦行程短以及變焦曲線平滑等優點。

1 引言

隨著激光技術的不斷發展，高功率板條固體激光器以其峰值功率高、運行穩定以及維護方便等優點在民用（如工業激光材料加工、切割、熱處理、打標）、軍用（如測距、激光雷達、防空）和空間通信等方面展示出重要的應用前景。在利用板條激光增益模塊對光束放大的過程中，由熱效應導致的應力、焦距以及退偏等會使輸出光束發生波前畸變，嚴重影響了輸出光束的光束質量。為補償波前畸變，采用基于自適應光學的光束凈化技術，利用變形鏡補償光束波前畸變，可顯著提高激光光束質量。因為變形鏡的空間分辨率受到限制，為充分利用變形鏡的校正能力，需要使板條激光器的輸出光束尺寸盡量匹配變形鏡的口徑，便于對輸出光束進行波前校正。

傳統的二維擴束系統多為焦距固定，不能對輸出光束尺寸進行實時控制的系統，且對輸出光束寸有嚴格要求，針對以上需求，推導分析了一套能夠實現 Ｘ、Ｙ兩方向同時變焦擴束的系統，可將尺寸在一定范圍內的出射光束，擴束整形為目標要求的尺寸，方便變形鏡對輸出光束的波前進行校正，從而達到優化輸出光束的光束質量的目的。

２ 光學系統設計

2.1 主要指標要求

二維變焦擴束光學系統主要技術指標如表1所示。

表1光學設計指標

2.2 設計原理

變焦擴束系統主要有光學補償式和機械補償式兩類。光學補償式系統擴束倍率低、相對孔徑小，且焦距僅是幾個離散值，因而在使用中受到很多限制。相比于光學補償式系統，機械補償式系統以其擴束倍率大，焦距能在一定范圍內連續改變，使其得到廣泛使用。

機械補償式系統主要由固定組，變倍組以及補償組三部分組成，依據補償方式的不同分為正組補償和負組補償，負組補償系統粗而短，二級光譜和球差相比于正組補償系統較大，正組補償系統細而長易于矯正像差。

由設計目標可知，擴束系統在 Ｘ方向的擴束倍率為14~20x，在Ｙ方向的擴束倍率為1.25～1.55×，且系統工作距離小于1000ｍｍ，由于X方向擴束倍率較大，為了盡可能減小系統工作距離，第一面透鏡先對X方向進行擴束，并將透鏡 １設置為固定組（便于計算工作距），透鏡2設置為變倍組，透鏡3設置為補償組；隨著步進電機的廣泛應用，透鏡間距離的控制越來越容易，為了減少系統成本，透鏡 ３即可以作為 Ｘ方向的補償組，又可以作為 Ｙ方向的固定組。設計時先對X方向進行初始結構設計和優化，將優化后透鏡3的結構代入Y方向，進行 Ｙ方向初始結構的計算和優化，計算和優化的過程中透鏡3參數不鏡3參數不變，只對透鏡4和透鏡5進行優化。（透鏡3為球面鏡，其余為柱面鏡）

圖1. X、Y擴束結構

圖2. 系統結構模型

４ 結 論

本文設計出一個適用于板條激光器（λ＝1064nm）擴束整形的二維變焦擴束光學系統。系統共由5個透鏡組成，通過控制透鏡間距可實現兩方向不同倍率的擴束，且變焦曲線平滑，滿足擴束尺寸的同時，在發散角為0～6 mrad都有較好的像質。二維變焦擴束系統相比于定焦擴束系統能使變形鏡波前校正的作用最大化，進而使板條激光器有更好的光束質量使其應用范圍更為廣泛。

審核編輯：湯梓紅