《准直光学系统的设计仿真案例》1600字

准直光学系统的设计仿真案例综述由上文可以看出半导体激光器快慢轴方向上的发散角具有较大的差异，要提高耦合效率，必须先对两个方向上的光束分别准直，下面分别对快轴和慢轴进行研究分析：1.1快轴准直透镜的设计快轴方向上的发散角较大，准直后造成的像差也较大，而采用一般的柱透镜又难以消除像差造成的影响。综合考虑，选择非球面柱透镜对快轴光束进行准直，以减小像差，提高准直效率，进一步提高耦合效率。在Zemax中，设光轴为z轴，作为非球面的对称轴，以非球面的顶点作为坐标原点，查资料可得Zemax中的非球面方程表达式：其中，；r为镜面孔径半径，c为曲率半径的倒数，k为曲面的圆锥系数，为非球面各阶系数。图1.1-1光束快轴准直原理图光束快轴准直原理图如上所示：因为准直之后要求激光光束平行出射，可以根据费马原理可以得到：可以解得：对比Zemax中的标准的非球面方程方程可解得：由几何关系可知：进而可以解得：在半导体激光器准直后的目标光斑半径已知的情况下，选定一定的材料，即可计算得到相应的非球面参数。在本文中玻璃材料选择对808nm激光有较高折射率的BK7玻璃，其折射率为n=1.5168，出射光斑半径取y=1mm，可以得到：按照所计算得到的数值进行优化设计，由于Zemax中在非序列模式下的优化较为复杂，因而选择在序列模式下采用逆反光路的方法进行优化，优化前后的示意图如下所示：图1.1-2优化前后光路示意图（左：优化前，右：优化后）优化后的光斑示意图如下所示：图1.1-3快轴透镜优化后SPT光斑图由上图可以看出优化后的光斑半径在2.5μm以内，优化后的球差明显减小，优化后的数值如下所示：图1.1-4快轴准直透镜优化后参数图将优化后的参数输入Zemax的非序列模式中进行仿真，准直示意图如下所示：图1.1-3快轴准直示意图快轴准直前后发散角如下图所示：图1.1-4快慢轴准直前后发散角（左：准直前；右：准直后）由以上各图可以看出，经非球面透镜准直后的快轴方向光束近似于平行光，发散角大幅度降低。通过Zemax软件可以得出，光束快轴方向上的光斑半径为0.3828mm，发散半角为0.372度。准直前后的光参数积如下：表1.1快轴准直前后光参数积光束半径（mm）发散半角（mrad）光参数积（mm·mrad）快轴准直前0.0005698.13170.3491快轴准直后0.38286.49262.4851.2慢轴准直透镜系统的设计慢轴准直透镜组的准直原理与快轴准直透镜原理基本相同，但是由于慢轴方向上的发散角较快轴方向上的发散角小，对像差要求不是特别高，因而无需采用制作工艺较高的非球面透镜，但是为了更好的准直效果，采用两片普通柱透镜进行准直，可以起到较好的准直效果。图1.2-1慢轴光束准直原理图光束准直原理图如上所示，根据物理光学原理和几何关系：为使出射光束发散角尽可能与光轴平行：可以推导出曲率半径：在本文中玻璃材料选择对808nm激光有较高折射率的BK7玻璃，其折射率为n=1.5168。由于在Zemax的非序列模式中优化透镜参数十分困难且优化得到的参数准确度不够，因而选择在序列模式下进行优化，优化后光路示意图如下：图1.2-2慢轴透镜组优化后光路图优化后的SPT光斑图如下所示：图1.2-3慢轴优化后光斑图由上图可以看出优化后的光斑半径在8μm范围内，光斑半径较小，优化后的透镜参数如下所示;图1.2-4慢轴方向透镜优化后参数将优化后的参数输入序列模式进行仿真可以得到慢轴方向准直示意图如下所示：图1.2-2慢轴方向光束准直示意图准直前后慢轴方向发散角如下图所示：图1.2-3慢轴方向发散角（左：准直前；右：准直后）由以上各仿真图可以看出，准直后慢轴方向上的光束近似为平行光。对于慢轴方向的准直采用两片柱透镜组合进行准直，某种程度上降低了能量的透射率并提高了加工难度，但是降低了发散角，降低了像差，改善了准直光束的光束特性。准直后的发散半角为0.4112度，准直前后的光参数积如下所示：表1.3慢轴准直前后光参数积光束半径（mm）发散半角（mrad）光参数积（mm·mrad）慢轴准直前0.025209.445.236慢轴准直后1.0797.17687.7437以上分析可以看出经准直后的激光的光参数积会变大，这在实际应用中有着更好