zemax笔记14——激光扩束系统的设计

设计要求：

• 5倍的光束扩束镜，入射光孔径为5 mm，出射光孔径为25 mm。
• 系统系统越短越好，不应超过250 mm，为了方便装夹镜头前后各留出5 mm。
• 成像效果尽可能的好，扩束后波前差应小于1/5波长，最好小于1/10波长。
• 造价尽可能的低，尽量引用现有的镜头完成设计。
• 评价函数可以设置与实际情况相对应的测试方式，例如本例的扩束镜制造完成后会在干涉仪上进行测试，那么在设计的时候就应该使用 光程差或干涉图进行评价。
• 激光器所在波长为0.6328（He-Ne）。

结构选择

扩束镜主要有 开普勒型和伽利略型。伽利略型没有聚焦，总长更短，而且在高能激光系统中要避免聚集的出现，所以选用伽得略型。

为了降低成本我们选择容易制造或方便购买的镜头，如平凸透镜、胶合透镜。
本例使用平凸透镜，并且确保第一个镜头的第一面为曲面，因为平面会反射光路会原路返回对激光器造成伤害。

构建基本结构

• 基本设置 (general)
  入瞳对应入射光设置为5 mm。此处应注意，因为我们设计的系统为无焦系统，所以要勾选 afocal image space 选项才能正确计算。

  
  
  

  入瞳

实际制造中镜片应比通光孔径大一些。因此在 其他(Misc) -> 半孔径处设置为1 ：

镜片余量

• 本系统是沿轴向使用的，所以视场只要0度，默认即可。

• 波长设置为0.6328。

• 插入两个镜头的4个面，输入材料，设置一些初始值，确保系统前后留有5 mm：

  
  
  

  初始镜头设置

• 显示波前差图
  analysis -> wavefront -> wavefront map (右健可更改显示类型)。

• 将曲率、镜头厚度及镜头间距离设为变量：

  
  
  

  设置变量

• 设置评价函数
  使用 均方根（RMS）、波前差（wavefront）,高斯球积4环（rings）6臂(arms),设置玻璃、空气厚度限制：

  
  
  

  评价函数设置

• 限制系统总长为250 mm（TTHI，OPLT），扩束为5倍，REAY操作数控制某面上某个位置的光线高度：

  
  
  

  Paste_Image.png
  
  
  

  Paste_Image.png

• 进行优化（optimization）

第一次优化

可以peak to valley =0.0763 waves,满足我们的设计要求，我们将第二个镜头也设计为平凸镜头，再次优化：

设置第二个透镜为平凸透镜

第二次优化

使用现有镜头或容易购买镜头替换原设计镜头

• reports -> surface data 右键选择 surface 为 2 。
  可以看到第一个镜头的孔径为7 mm，有效焦距为 -59.541 mm。

  
  
  

  镜头1参数

• tools -> catalog -> lens cotalogs 打开镜头库
  供应商选择 CVI；
  有效焦距选择-65 到 -55；
  入瞳直径要比设计的还要大才能满足实际使用，设置为7.2 到 20；
  其他选项勾选 曲面（ spherical）、平面（plano）、单个透镜（singlet），点击search，找到一个合适透镜：

  
  
  

  Paste_Image.png

点击insert，选择表面（2-镜头1）插入系统中，复制两镜头间距离，删除原镜头1：

插入镜头1

• 再次优化，成像质量变差，仍满足系统要求

• 同样在surface data 中查看第二个透镜的数据，并搜索替换：

  
  
  

  替换第二个镜头
  
  
  

  替换第二个镜头

• 再次优化，发现不满足要求 ，是因为插入的第二镜头反曲面放在了前面，此时在选择 tools -> miscellaneous -> reverse element 分别选中第二个镜头的表面4和5，确定进行调换：

  
  
  

  调换镜头

• 再次优化，仍不满足要求，将优化函数中有效焦距改为300，再次优化，得到一接近设计设计要求的系统：

  
  
  

  第三次优化

镜头数据

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