激光扩束系统可以扩大激光光束直径、压缩空间发散角，被广泛应用在激光测距、大气探测等领域。为了压缩激光扩束系统的外形尺寸，减小出射与入射光束之间的距离，设计了一种由多个共焦离轴抛物面镜组构成的多级反射式激光扩束系统。根据设计指标，计算了多级反射式激光扩束系统的系统参数，使用ZEMAX光学设计软件对单组扩束系统和两个多级扩束系统进行了仿真和公差分析，对比了单组扩束系统和多级扩束系统的尺寸和公差。结果表明，在比较宽松的公差范围内，多级扩束系统能够实现在更短距离上的高倍激光扩束。

为了实现对激光束的准直变倍扩束, 提出了一种基于液晶空间光调制器(Liquid Crystal Spatial Light Modulator, LC-SLM)实现数字变焦透镜的方法, 并利用这种方法搭建了基于LC-SLM的变焦扩束系统。首先根据透镜相位变换原理和LC-SLM的相位调制特性由计算机编程生成不同焦距的数字透镜相位调制图, 实现不同焦距的数字透镜功能, 通过凸透镜对平行光束的汇聚作用, 验证该功能的有效性, 平均误差为095%。上述结果说明LC-SLM能够实现变焦透镜功能。接下来, 通过与汇聚透镜组合实现对激光束的连续变倍率准直扩束。该系统的扩束倍率为2×~5×, 均方根误差为0539 7 mm, 峰谷值为099 mm。实验结果表明, 本文提出的方法可以实现对激光束不同倍率的扩束且扩束比连续可变。该系统解决了传统变焦系统无法满足多变的激光扩束需求的问题, 且结构简单, 精度高, 在激光扩束应用方面具有广泛应用前景。

离焦量和激光能量的空间分布对激光加工质量有着重要的影响,通过调节扩束镜镜间距来满足不同加工材料对离焦量的不同需求是激光加工中常用的方法。通过使用ZEMAX软件分别在序列模式和非序列模式下对激光加工的光路系统进行建模,其中扩束镜是由双透镜组成的伽利略透射式系统,在仿真环境下测量了扩束镜不同镜间距和倾斜度对应的焦点位置和工作面光斑能量分布情况。结果表明:离焦量与镜间距变化量呈线性关系,离焦量随镜间距变化量的减小而减小;负离焦量随倾斜度的增大而增大。工作面上光斑的峰值功率随着扩束镜镜间距和倾斜度的增大而减小,镜间距改变带来的影响远大于倾斜度的影响。工作面上光斑位置的偏移量与倾斜角呈线性关系。光斑模式始终为基模高斯分布。实验测量了扩束镜不同镜间距下的离焦量和工作面光斑能量分布情况,实验结果与仿真结果较好得吻合。

为研究闪电特性, 设计了用于闪电实验室场景模拟的大变倍比近红外无焦激光扩束光学系统, 用于模拟不同光斑尺寸的闪电单元。根据高斯光学几何法计算系统外形尺寸, 合理确定了各组份的口径及光焦度; 由ZEMAX软件包优化设计得到系统的光学结构参数, 并对系统整体性能进行了分析评价。该系统变倍比为13, 出射光束光斑均匀、无衍射环, 满足研究闪电信号特性的需求。激光扩束系统的中心工作波长为777.4 nm, 入射光束直径为1.0 mm, 入射激光光束在步进电机驱动下连续可调, 使得出射光束可从φ0.8 mm变化到φ10.6 mm。系统具有镜片少, 结构简单, 变焦轨迹平滑无卡滞等优点, 可用于模拟不同尺寸的闪电单元。

采用高斯谢尔Gaussian-Schell模型(GSM)来描述部分相干的准分子激光束,利用柯林斯(Collins)衍射积分公式和Matlab对部分相干高斯光通过扩束系统的衍射性质进行模拟分析。结果表明,出射激光束随着空间相干参数β的变大,出现亮暗相间环状光束的数目增多,且衍射峰值明显增加。表明空间相干参数对于设计扩束系统及其相关光学系统的重要性。

本文在标量衍射理论的基础上 ,应用柯林斯公式数值计算了高斯光束经过通光口径较小的扩束光学系统后的光强分布 ,结果表明出射激光光束的束散角虽然可以压缩 ,但往往不是高斯光束 ,而是具有亮暗相间的多个环状光束。本文的分析对于激光扩束光学系统及其它光学系统的设计具有一定的参考价值