【Zemax光学设计实训三】---激光缩束镜的设计优化

前言与目录

技术设计要求：

设计一个激光扩束镜，使用的波长为1064nm，输入光束直径为10mm，输出光束的直径为2mm，且输入光束和输出光束平行（即平行光入射，平行光出射）。要求只使用两片镜片（材料均为BK7），设计必须是伽利略式的（没有内部焦点），在镜片之间的间隔必须不超过50mm，只许使用1片非球面。

伽利略式扩束镜由两个透镜组成，第一个透镜（L1）是一个会聚透镜，第二个透镜（L2）是一个发散透镜。输入光束通过L1后会聚，然后通过L2发散，形成平行输出光束。

扩束镜的放大率𝑀M由输出光束直径与输入光束直径的比值给出：

𝑀=𝐷𝑜𝑢𝑡/𝐷𝑖𝑛=2 mm/10 mm=0.2；该设计为一个相当于0.2倍的扩束镜

只能使用一片非球面透镜，我们可以选择L1作为非球面透镜。非球面透镜可以校正球面像差；

1、设置入瞳直径为10mm；由于入射光斑为10mm；设置波长为1.064um；由于是平行光入射，直接视场设置成一个就行，不需要额外设置；由于是平行光输出（可以将无焦像空间勾选）；

图1

由于这个是一个伽利略式的扩束镜形式，所以可以直接设置两个平板进行优化，为方便，我随意设置了一个初始结构，如下图：

图2

透镜编辑窗初设参数（根据设计要求，需要先初步设定第一面和最后一面的曲率半径，形成初步结构。），由于项目要求，两曲面的曲率半径可优化，厚度可优化，但是系统长度需要控制50mm，后续在优化操作数里面进行控制；

初始结构的光线如图：

图3

1、由于由两片透镜组成，那么我们可以将两个透镜的前后曲率半径设置为变量；以及透镜的厚度及空气间隔也是可变得优化量，但是为了方便，还是一步一步进行优化；

设置变量

2、打开评价函数进行优化

在开始优化之前，我们需要设置评价函数，首先打开评价函数优化向导，设置成波前优化，类型为RMS；参考质心；并设置空气得边界条件：最小0.5mm，最大50，边缘厚度最小0.1；

评价函数优化向导

之后添加我们自己得优化函数；限制第一个面和最后一个面得总长度小于50mm，并且限制输出得光束大小为2mm；

函数说明：

TTHI------用于计算第一面到最后面的总长度。

OPLT------控制系统的长度范围不超过某个数值（不等式约束）。

REAY------控制出射面边缘光束的高度。

3、开始优化

点击执行优化，可以看到，评价函数从4.403一下就优化到很小了；

优化前参数

优化后，得到下图：

优化后

光扇图和光程差图：

波前图：

点列图：

总结：由于本次的光学条件很轻松，简单优化便达到了理想的像质，没有什么难度，所以就用来复习一下zemax的使用流程；在这次优化设计中，未用到非球面，且厚度变量也未使用到，属于非常简单的光学系统了，后续继续更新光学系统的设计和优化

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