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ZEMAX光学设计实例（109）---一个10X激光扩束准直系统的设计

2021-12-20 10:57| 发布者：Davis| 查看：5903| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了使用ZEMAX软件设计10X激光扩束准直系统的具体步骤，包括透镜选择、参数设置、评价函数添加、曲率半径设为变量等，最终得到了扩束比为10倍的系统。涵盖了光学设计中常用的开普勒式和透镜优化方法。

导论：

由于激光的孔径一般很小，所以在使用激光作为光源时需要对其进行扩束，使光源照射的范围增大。同时，为了获得平行光照明，需要将出射的发散激光束进行准直，使其成为平行光。

最典型的激光扩束准直系统有开普勒式和伽利略式。

设计要求：

设计一个10X开普勒式的激光扩束系统，采用两片单透镜。要求扩束比10X，机械筒长220mm，n=1.6，r2=r3=∞，-l=12，l`=40；波长为0.6328um（氦氖激光器），激光的出射口径为3mm，发散角为0.003rad。

由

计算可得

再由

计算可得

设计流程：

1）第一片透镜的设计与优化

在系统通用对话框中设置孔径。

在孔径类型中选择“Entrance PupilDiameter”，并根据设计要求输入“3”；

在视场设定对话框中选择“Angle”，如下图：

激光的发散角为0.003rad，换算成角度为0.17度（全角2ω）。

在波长设定对话框中，设置0.6328um一个波长，如下图：

在LDE中输入第一片透镜的参数，如下图：

查看此时的2D Layout，如下图：

对第一片透镜优化：

打开MFE，在评价函数设置对话框中，选择默认的评价函数构成为“RMS+Wavefront+Centroid”。“Rings”选项为“3”， “Arms”选项为“6”。

由于激光单色无色差，且发散角很小，所以只需要校正球差，添加以下操作数：

EFFL，目标值20，权重1；

LONA，目标值0，权重1。

将第2面的曲率半径设为变量，如下图：

开始执行优化。

优化后的LDE，如下图：

此时的2D Layout，如下图：

2）第二片透镜的设计与优化

在系统通用对话框中设置孔径，因为扩束比是10X，所以入瞳直径为30。

在孔径类型中选择“Entrance PupilDiameter”，并根据设计要求输入“30”；

在视场设定对话框中选择“Angle”，如下图：

激光的发散角为0.003rad，换算成角度为0.17度（全角2ω）。

在波长设定对话框中，设置0.6328um一个波长，如下图：

在LDE中输入第二片透镜的参数，如下图：

查看此时的2D Layout，如下图：

对第二片透镜优化：

打开MFE，在评价函数设置对话框中，选择默认的评价函数构成为“RMS+Wavefront+Centroid”。“Rings”选项为“3”， “Arms”选项为“6”。

同样，由于激光单色无色差，且发散角很小，所以只需要校正球差，添加以下操作数：

EFFL，目标值200，权重1；

LONA，目标值0，权重1。

将第2面的曲率半径设为变量，如下图：

开始执行优化。

优化后的LDE，如下图：

此时的2D Layout，如下图：

3）将两片透镜拼接

需要将两片透镜的距离改为220mm（机械筒长），如下图：

查看此时的2D Layout，如下图：

查看点列图，如下图：

光斑的GEO radius为15mm。

然后，勾选“Afocal Image Space”，再查看点列图，如下图：

此时，扩束后的光束发散角约为1.5mrad。

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