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Zemax光学设计实例（81）---迈克耳逊干涉仪的仿真

2021-12-20 11:06| 发布者：Davis| 查看：3395| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：This article discusses the simulation of a Michelson interferometer using Zemax software, including the setup of an ideal paraxial XY imaging system and the analysis of interference patterns. The article also covers modifications to the initial structure

导论：在序列模式下，对迈克尔逊干涉仪进行仿真，并分析干涉图样。

ZEMAX仿真：

（1）建立一个Paraxial XY的理想光学成像系统

首先在孔径类型中选择Entrance Pupil Diameter，Aperture Value输入10，如下图：

波长为默认波长（0.55）；视场为默认0度。

然后在LDE中输入相关数据，如下图：

将STOP的面形选为Paraxial XY，这是把该面设置为“理想薄透镜”，其中X-Power和Y-Power可以分别设置两个轴不同的光焦度，即焦距的倒数，我们设置X-Power和Y-Power的光焦度分别为0.2，即焦距为5mm。

需要注意Paraxial和ParaxialXY的区别。Paraxial为旋转对称理想透镜；Paraxial XY为两轴分离理想薄透镜，可以分别设置两个轴的光焦度，如果单独设置一个轴，则成了理想柱面镜。

查看下3D layout，如下图：

以上这个理想光学成像系统实际上是一个4f系统。

同时打开查看点列图，Ray Fan，OPDFan和Field Curvature，各种像差分析图显示的结果都是0，点列图也为理想点。

再看看理想情况下的成像效果，通过Analyze-Extended Scene Analysis-Image Simulation，打开成像仿真器，默认情况下的成像仿真是网格线条模式，如下图：

（2）干涉图像分析

我们采用干涉分析来检验像面的波前特性，通过Analyze-Wavefront-Interferogram，打开干涉分析图像，如下图：

从上图，我们发现没有任何干涉图像，这是因为此时像面放在了理想光学系统的最佳像面处，各种像差都为0，波前光程差也为0，无干涉图样出现。

如果我们将像面位置偏离理想像面，就会产生离焦。

我们将Surface 2的厚度改为10.1，如下图：

此时，产生了离焦，如下图：

打开干涉图样参数设置对话框，设置好相关参数，如下图：

从上图看出，有Beam 1 是设计光路（1/1），Beam 2是参考光路（Reference），这是因为干涉必须要两束光。

此时的干涉图像如下图：

从上图看出，这是典型的牛顿环干涉图像。

（3）迈克尔逊干涉仪的仿真

首先，建立一个初始结构，采用物空间数值孔径NA=0.2，Surface 1和Surface2为两个理想柱面镜（Paraxial XY），其后放置两个反射镜，用于改变光路方向，最后用一个理想透镜聚焦（Paraxial），像面放置在离焦位置上。

在LDE中输入初始结构的参数，如下图：

查看3D Layout，如下图：

然后打开MCE，增加一个结构，并增加以下操作数，如下图：

更新3D Layout，并显示所有光路结构，光线颜色按照结构来区分，如下图：

以上就是迈克尔逊干涉仪的基本光路结构。

最后，打开干涉分析图，干涉光束分别选择结构1和结构2，设置合适的比例因子，不勾选“使用入瞳形状”，采样率设置为256×256，得到干涉图样，如下图：

我们也可以修改结构参数来改变干涉图样，例如我们将结构参数CRVT在结构2中的属性值由0改为0.004，从而更新干涉图样，如下图：

在序列模式下，干涉分析图直接将不同结构中像面上的波前进行干涉，而不管这些结构光路是否相交。

此时，即使在3D Layout中看到两个结构的像面根本不在同一个位置，也是可以进行干涉分析的，而与结构方式无关。

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