变倍激光扩束器 | SYNOPSYS 光学设计软件第81课

dannie

一.概述

由于激光具有高亮度、单色性好和方向性好等特点，激光扩束准直系统在通信技术、激光扫描、切割、测量距离等领域被广泛应用(在实际应用或实验过程中，通常需要用到口径不一的准直激光光束。尤其是在实验操作过程中，每更换一个实验元件都需要重新调节整个光路，不利于实验操作。因此设计一个连续变倍的激光扩束系统是非常有必要的。

目前激光扩束方法使用较为广泛的有两大类：

第一类是选用反射系统，此类系统选用大口径的反射镜面来扩大激光光束，常见的系统有格里高利系统和卡塞格林系统。由于此类系统通常采用非球面镜片，并且是固定的扩束比，通常是单独设计某一类口径的光束。而且非球面在实际生产中存在较高的成本以及难度，所以此类系统适合大倍率扩束的应用；

第二类是选用透射式系统，此类系统是由两个或两个以上的透镜组成，常见的系统有开普勒系统和伽利略系统，由于此类系统结构简单，实际应用价值较高，所以具有小变倍比需求的系统可采用第二类方法。

二.设计要求

波长：632nm

变倍比：1-10X

入射光束直径：<=5mm

出射光束直径:<=50mm

总长<200mm

设计确保从全孔径出射的光线与光轴之间的角度小于0.03°

利用SYNOPSYS中自带的ZSEARCH功能，ZSEARCH与DSEARCH一样，都能够自动按照给定的初始条件，对初始结构进行搜索，列出10个最佳的初始结构。

阅读 HELP ZSEARCH可以帮助您快速的了解ZSEARCH的使用细节。

SYNOPSYS 初始结构搜索宏和运行结果：

初始宏文件

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运行搜索宏可以得到10个初始结构

选取一个最佳结构进行下一步的分析。

点击右侧的模块，查看初始结构的变倍功能。点击光线追迹 >真实光线追迹 >执行也可以查看光线的放大情况。

（图一 出入射光线10、6、1倍变倍比）

（图二 3D绘图10、7、5、1倍扩束）

此处给出10、6、1变倍比图样。

再在命令行窗口中输入SPEC，查看镜头参数。

此时总长也满足设计要求，最终结果是否达到设计要求，我们还需要通过一些像质评价方法来评定，激光扩束系统常采用波像差对系统成像质量进行评价。初始结构波像差如图所示：

观察到波像差均方根在λ/5附近还较大，进行优化并模拟退火，最终得到波像图如图所示：

三.总结

该镜头所有指标已经基本满足要求，使用了8片透镜。