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Zemax光学设计实例（87）---一个12X定焦激光扩束镜的设计

2021-12-20 10:22| 发布者：Davis| 查看：3695| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了利用Zemax软件设计可见光波段的12X定焦激光扩束镜。通过单片平凹负透镜和双胶合正透镜的组合，优化前后组结构，最终达到弥散斑RMS半径为1.275um的效果。详细介绍了设计流程和参数优化过程。

引言：

激光扩束镜具有单一波长、视场角小、像质要求高的特点，特别是应用于高功率激光系统内的扩束镜，要求弥散斑做到1DL（1倍衍射极限），因此在设计上需要重点关注成像质量。

在成像特性上，扩束镜又是afocal系统（输入和输出均为平面波），这些特点与常规ZOOM不同，决定了扩束镜设计的特殊性。

设计一个可见光波段的12X定焦激光扩束镜组，入射激光光束直径D`=2mm，出射激光光束直径D``=24mm，变焦比（扩束比）为12X，系统总长要求小于220mm。

设计与仿真：

（1）确认焦距

12X定焦扩束镜的入射激光光束直径D`=2mm，出射激光光束直径D``=24mm。

为了方便优化，采用单片平凹负透镜和双胶合正透镜的组合，并焦距满足

由上解出

（2）前组设计

由于输入激光光束的直径为2mm，那前组的光圈数F₁≈9，初始结构选用简单的平凹透镜，凹面朝向入射的激光束，玻璃材料为H-K9L（折射率n=1.517）。

利用平凹透镜的焦距公式

算出凹面的曲率半径R=-9.4mm。其厚度可取为4mm，直径取为9mm。

设置Aperture Type为Entrance Pupil Diameter为2。

前组的初始结构如下图：

从上图看出，前组焦面位置为20.8261mm。

（3）后组设计

后组的初始结构为双胶合透镜，焦距为218.18mm，光圈数F2≈9。

设置后组的Aperture Type为Paraxial Working F/#为9

双胶合透镜的初始结构如下图：

从上图看出，后组焦面位置为224.4552-10.903-4.361=209.1912mm。

（4）前组与后组的合成

前组与后组的间隔为焦距之和：T=209.1912-20.8261=188.3651mm。

前组与后组合成的结构数据如下图：

其中，第1面为参考面。

查看2D Layout，如下图：

查看点列图，如下图：

如上图，弥散斑的RMS半径为3.643um，略大于1DL。

合成系统的输出光束的发散度约为0.03mrad。

（5）进一步优化

采用以下的评价函数，如下图：

上图中，第一模块EXIT BEAM COLLIMATION，用来控制输出光束的准直度。

RANG相对 Z 轴的光线夹角，弧度（rad）单位。

CONS，定义1个常数值，此处常数为1000。

DIVI，两个操作数的商，此处为第2行和第3行操作数的商，即弧度/1000变为mrad。目标值为0，权重设为0.1。

第二模块BEAM EXPANDING RATIO，用来计算扩束比。

两个EFLY，分别用来计算前组和后组的焦距。

DIVI，此处为两个EFLY的商，目标值为-12，权重设为1。

第7行，对后组的焦距也加了目标值和权重，是为了控制扩束比，也限定了系统总长。

第三模块SYSTEM TRACK，用来观察系统总长，不需要设目标值和权重。

将全部曲率半径设为变量，将三种玻璃设为可替换（Substitute），进行优化和HAMMER优化。

优化后的参数如下图：

再次2D Layout，如下图：

再次查看点列图，如下图：

这时，弥散斑的RMS半径为1.275um，约等于0.4DL。

由于波长选的是F,d,C，这个设计参数均可以用于可见光范围的激光扩束。

至此，一个12X定焦激光扩束镜就设计完成了。

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