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ZEMAX光学设计实例（132）---在序列模式下构建棱镜对用于激光束整形

2021-12-20 10:39| 发布者：Davis| 查看：3434| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍利用ZEMAX软件中的序列模式和表面旋转构建异形棱镜实现光束整形的方法。通过计算折射率和入射角，选择材料H-ZF13等参数，逐步设计出棱镜对，并用评价函数复核光束直径。最终得到了棱镜对的放大率以及实现光束单向整形的效果。

引言：

在实验室、仪器设备中，常常会遇到光束截面整形的需求。典型例子是边发射的半导体激光器，出射的光束截面为椭圆，需要变换为圆形；板条激光放大器（Slab Laser Amplifier）的输出光束截面也接近椭圆，也需要变换为圆形。

常用的方法是运用柱面镜对，但柱面镜加工比较困难，输出光束的像质不容易做好。

利用异形棱镜（Anamorphic Prism，AP）整形是一个简单适用的方法，可以通过ZEMAX的序列模式和序列/非序列混合模式构建异形棱镜，实现光束的单向扩大或缩减，从而实现光束整形。

（1）单个棱镜折射的光束放大率函数

如上图所示，折射对光束线度有缩放效应。其中平面∑的左侧为空气（折射率为1），右侧为介质（光学玻璃，折射率为n），N为平面∑的法线。一束截面宽度为D₁的平行光束以i₁角入射到∑上，折射角为i₂，出射光束的截面宽度为D₂。

由光的折射定律：

再由上图中的两个三角形可得：

由上面两个公式可以推导出子午面内光束截面的放大率为：

上式中，

再比如一个直角棱镜，设光束从斜面入射，出射光刚好和直角面垂直。

令入射角i₁=i，则光束放大率M可以表示为顶角θ和折射率n的函数：

其中，i为入射角，

例如，使用光学玻璃H-ZF13，波长λ=1064nm时，n=1.7539，由上式可以计算出

入射角：

光束的偏转角：

（2）棱镜对光束的整形

如果采用棱镜对，并恰当配置，就可以得到下图显示的效果，实现了对光束单向整形（y单向扩束）。

棱镜对的光束放大率为单个棱镜的平方：

输出光束与输入光束平行，光束向-y方向平移，平移量为：

上式中，h为梯形棱镜中线的长度，d为两个棱镜的间隔。

设计仿真：

（1）在序列模式下利用表面旋转构建棱镜

为了设计与加工方便，两个棱镜的结构参数完全一样，如下图：

设置孔径、视场和波长，如下图：

需要设置为全局坐标（Global Coordinate），以系统第1面中心为全局坐标原点。

在LDE中输入结构参数：

其中第1面为参考面，在第3面和第5面输入两个棱镜的材料为H-ZF13。

点击第3面，设置棱镜前面的孔径，如下图：

设置孔径类型为“Rectangular Aperture”，X-Half Width为5.5（D/2），Y-HalfWidth为6.35（C/2）。

还是在第3面，设置棱镜前后表面的转动，如下图：

由之前的计算，Before Surface中Tilt X设置为61.27，即表面法线绕x轴顺时针旋转了61.27；After Surface中Tilt X设置为-30，即棱镜的顶角。

然后，点击第4面，设置棱镜后面的孔径，如下图：

设置孔径类型为“Rectangular Aperture”，X-Half Width为5.5（D/2），Y-HalfWidth为5.5（A/2）。

以上就完成了第一个棱镜的插入。

以类似的操作完成第二个棱镜的插入。

点击第5面，设置棱镜前面的孔径，如下图：

设置孔径类型为“Rectangular Aperture”，X-Half Width为5.5（D/2），Y-HalfWidth为6.35（C/2）。

还是在第5面，设置棱镜前后表面的转动，如下图：

由于两个棱镜的顶角相等，且转动的角大小相等、符号相反，所以输出光束与入射光束平行。

然后，点击第6面，设置棱镜后面的孔径，如下图：

这样就完成了棱镜对的设置，查看3D Layout：

（2）用评价函数复核光束直径

在MFE中建立以下操作数：

H-ZF13 INDEX模块，计算H-ZF13在波长为1.064um时的折射率。

INDX操作数，Surface 3，Wave 1时对应的折射率。

OPITCAL AXIS OFFSET模块，计算输出参考面的偏移量。

RAGY操作数，在第6面（输出面）的全局光线的y坐标，实际值为-6，与计算值一致。

ENTRANCE BEAM DIAMETER模块，计算输入参考面的高度。

REAY操作数，分别给出第1面（输入面）在Py=1和-1时的实际光线的y坐标。

DIFF操作数，两个操作数做减法运算。

EXIT BEAM DIAMETER模块，计算输出参考面的高度。

REAY操作数，分别给出第6面（输出面）在Py=1和-1时的实际光线的y坐标。

DIFF操作数，两个操作数做减法运算。

Y DIRECTION BEAM EXPASION模块，计算棱镜对的放大率。

DIVI操作数，第12行除以第8行，得到y方向的棱镜对的放大率，实际值为3.246，与计算值一致。

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