Zemax光学设计实例（10）---多重结构配置的激光束扩大器

导论：

设计一个激光光束扩展器，使用的波长为λ=1.053μ，输入光束直径为100mm，输出光束的直径为20mm，且输入光束和输出光束平行。如果全长没有限制，这个设计是比较容易的，但是为了使之变得复杂一点，我们将加上几个限制条件：

1）只使用两片镜片。

2）设计必须是伽利略式的（没有内部焦点）。

3）在镜片之间的间隔不能超过250mm。

4）只允许使用1片非球面。

5）系统必须在=0.6328时测试。

（此实例来自ZEMAX Manual）

设计流程：

该设计涉及到的不仅是改善像差，还需要两个不同的波长。但是，系统不能同时在两个波长处使用，因此，我们可以在测试时移动共轭面。

（1）系统建模

首先输入系统特性参数，如下：

在General系统通用对话框中设置孔径。

在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并根据设计要求输入“100”；

在视场设定对话框中使用默认的0视场，如下图：

在波长设定对话框中，输入1.053微米一个波长，如下图：

然后在LDE中输入初始结构，如下图：

注意，第五面选为“Paraxial”，向右边的好几列才是“Focal Length”列。表头“Focal Length”只在你将表面类型从“Standard”改变为“Paraxial”后才会显示。

注意近轴镜片的使用是为了有平行光能到焦点。

镜片厚度是任意设定的，但要符合我们的目标。250mm是由第3条要求得来的。

观察系统的初始二维结构图，如下：

（2）系统优化

首先建立评价函数。

打开MFE，现在评价函数是空的，显示一个“BLNK”（即Blank，意思是未被使用）操作数。在第一行，将操作数类型改为“REAY”，REAY操作数是用真实的Y约束用来控制所要求的5:1的光束压缩比。在“Surf”输入5（这是我们所要控制光高的面），为“Py”输入1.00，在再输入一个目标值10，这会给我们一个20mm直径的平行输出光束。在“Weight”中输入一个1.0的值，再选“Tools”，“Update”，你将会看到在Value列里出现一个50的值。这只是入瞳的半径，因为我们在这一点上只有平行平板。

现在从Editor菜单条中选Tools，Default Merit Function。再选Reset，然后将Start At域的值改为2，再单击OK。这会使操作数从电子表格的第2行开始添加，以便保护已输入的REAY操作数不被遗失。

设置如下图：

点击OK后，系统已经根据上述设置自动生成了一系列控制像差和光束的操作数。

返回LDE，为系统设置变量。将第1面，第2面和第4面半径设置为变量，如下图所示：

点击opt按钮执行优化。

优化后的系统二维结构图，如下图：

查看优化后的OPD Fan，如下图：

大约有7个波长的波差，性能较差。主要像差是球差（ZEMAX已加入了离焦作为补偿），我们有一种非常有效的排除球形的方法。移动光标至第一面的圆锥系数列，键入Ctrl-Z使之成为一个变量，如下图：

点击opt按钮第二次执行优化。

评价函数会显著下降。

更新OPD图，由于引入了一个合理的圆锥系数很容易地使系统性能达到了衍射极限。

再次优化后的系统二维结构图，如下图：

查看点列图：

在三个曲率和圆锥系数的每一格中键入Ctrl-Z 以小消除变化。

（3）变换波长

在波长设定对话框中，，将波长从1.053改为0.6328，如下图：

再次更新OPD图。由于玻璃的色散，性能非常差。所显示的像差明显离焦。

我们可以调整镜片间隔来改正它。现在只将使第2面的厚度250mm设为变量，如下图：

点击opt按钮执行优化。

评价函数会降低很多。

再次更新OPD图，系统在新的波长和共轭处有大约一个波长的像差。

再次键入Ctrl-Z去掉第2面的厚度变量。

（4）使用多重结构配置功能

打开MCE，再选Edit，Insert Config 插入一个新的结构配置，双击第一行的第一列，从所显示的下拉框选择WAVE，在同样的对话框里，为“Wavelength # ”选择1，单击OK。WAVE使得我们可以为每一个配置定义不同的波长。

在“Config 1”下输入1.053，在“Config 2”下输入0.6328。

现在按Insert为MCE加入新的一行，在新的第“1”行的双击第一列，然后选THIC作为操作数类型。THIC操作数可让我们为每一个配置定义不同的厚度。从Surface列选2，单击OK。

在Config 1下输入250，在Config 2下输入250。。键入Ctrl-Z，使结构配置2下的第二面的厚度成为变量。

现在返回到MFE。选Tools，Default MeritFunction，在显示的对话框中，将Start At的值改为1，这会使得缺省的评价函数从第一行开始。现在单击OK，将为多重结构配置实例重建评价函数。

现在需要将原先输入的REAY约束加入新的多配置评价函数中。在评价函数编辑器的第一行，注意在“Cfg#”列有一个写着1的CONF操作数，此操作数将当前活动的结构配置改变为1。在这一行的下面，有3个OPDX操作数。在CONF和第一个OPDX间，插入新的一行，将该行的操作数类型改为REAY，为“Srf# ”输入5（这是我们用来控制光线高度的一面），为Py输入1.00。输入目标值10，将会使我们得到直径为20mm的平行输出光束。任何在CONF 1下的操作数都将被限制在此配置中。在CONF 2下，不需要任何的操作数，因为在两个波长处都已有了5:1的光束压缩比。

现在回到LDE，使第1、2和4面的曲率为变量，再将第一面的圆锥系数也设为变量。注意共有5个变量被激活（3个曲率，1个锥形，一个多重结构配置厚度）。

点击opt按钮执行优化。

现在双击多配置编辑器的Config 1列头，更新OPD图，注意其特性在波长1.053处非常好。

双击Config2列头，更新OPD图（这一次为0.6328处），同样也被很好地修正了。

注意多重结构配置编辑器显示的为两个波长设置的两个厚度。

键盘快捷键Ctrl-A可用来在这两个配置之间快速地切换。