技術摘記

1999-07-30 光學系統設計(Zemax初學手冊)

建立於 2010-12-13, 週一

 

●習作五:multi-configuration laser beam expander

你將學到:使用multi-configuration capability。

假設你需要設計一個在波長λ=1.053μ下操作的laser beam expander,Input diameter為100mm,而output diameter為20mm,且Input 和output皆為collimated。在此設計之前,我們必須遵守下列設計條件,

  1. 只能使用2個鏡片
  2. 本設計在形式上必須是Galilean(沒有internal focus)
  3. 只有一個aspheric surface可以使用
  4. 此光學系統必須在λ328μ下完成測試。


本設計任務不只是要矯正aberration而已,而是在兩個不同wavelengths的情況下都要做到。先談談條件2中什麼是Galilean呢?Galilean就是光線從入射到離開光學系統,在光學系統內部不能有focus現象,在本例中即beams在兩個鏡片之間不能有focus。好在本系統不是同時在2個wavelengths下操作,所以在操作時我們可以變動某些conjugates。現在開始設計,依據Zemax P.4-18頁的LDE表中鍵入各surface的相關值。其中surface 5的surface type從Standard改為Paraxial,這時在鏡片後面的focal length項才會出現。注意到使用paraxial lens的目的是把collimated light(平行光)給focus。同時把surface 5的thickness及focal length皆設為25,entrance pupil的diameter定為100,wavelength只選一個1.053 microns即可,記住不要在設第二個wavelength。叫出merit function,在第1列中把operand type改為REAY這表示real ray Y將用來作為一種constraint,在本設計中,我們被要求Input diameter為100而output diameter為20,其比值為100:20=5:1,即入射beam被壓縮了5倍,在srf#中鍵入5,表示在surface中我們要控制他的ray height,而Py上則鍵入1.00。把target value定為10,這個動作將會給我們一個diameter collimated為20mm的output beam。為什麼呢?因為Py是normalized的pupil coordinate,即入射光的semi-diameter為50。,Py=1即現在的入射光is aimed to the top of the entrance pupil,把target value定為10,就是輸出光的semi-diameter為10,所以50:10=5:1,光被壓縮了5倍,達到我們的要求。semi-diameter的值定為10,現在選Tools,Update,你會看到在value column上出現50的值,這就是entrance pupil radius即表示coordinates是座落在一個單位圓(unit circle)上,而其半徑為50,當Px=0,Py=1即表示在y軸的pupil大小為50,而在x軸的則為0。

從edit menu bar選Tools,Default Merit Function,按Reset後把”Start At” field的值改為2,這表示以後的operands會從第二列開始,而不會影響已建立的REAY operand。執行optimization後,把OPD plot叫出來,如圖E5-1所示,你會發現performance很差,大約為7個waves。

這個aberration主要來自spherical aberration,所以我們要把surface 1改為a spheric,把surface 1列中的conic設為variable,再次執行optimization,你會看到較好的OPD plot。現在把所有的variable都去掉,然後將此field存檔,因為你已完成wavelength在1.053μ下的beam
expander設計。但是wavelength在0.6328μ的情況怎麼辦呢?我們進入此習作的另一個主題,也就是multi-configuration可以在同一系統中同時設定不同的configuration,以適應不同的工作環境或要求,先前我們已完成了wavelength為1.053μ的configuration,把他看做configuration 1,而wavelength 0.6328為configuration 2。

把wavelength從1.053改為0.6328後看看OPD plot,出現非常差的performance,這是因為glass dispersion的緣故。我們調整lens spacing來消除此defocus把surface 2的thickness設為variable,執行optimization後,update OPD plot,此時的aberration大約為一個wave,接下來消掉surface 2 thickness的variable。現在我們來使用Zemax的multi-configuration capability功能,從main menu上選Editors,後Multi-configuration,再選其中的Edit,Insert Config,如此我們就可以加入一個新的configuration,在第一列的第一項中按兩下,選”wave”,同時在”Wavelength#”中選為1,這表示在不同的configuration,我們使用不同的wavelengths。在Config 1下鍵入1.053,Config 2下鍵入0.6328,在插入一個新的列於此列的第一項中按兩下,選THIC為一個operand type,這會讓我們在各別的configuration中定義不同的thickness,從”surface” list中選2後按OK。在Config 1下鍵入250,Config 2也鍵入250,不過在surface中選2即表示在LDE中surface 2的thickness是當作mult-configuration的一項oprand value,把Config 2下surface 2的thickness設為variable。回到merit function editor,選Tools,Default Merit Function,把”StartAt”的值改為1,使default merit function會從第一列開始考慮。現在先前設定的REAY constraint條件必須加到此新的multi-config merit function,在merit function的第一列中,有一個CONFoperand且在”Cfg#”項中定為1,表示現在configuration 1是avtive。在此列之下尚有三個OPDXoperands,於CONF和第一個OPDX之間插入一個新列,把其operand type改為”REAY”,”Srf#”鍵入5。表示我們要控制的ray height是對surface 5而言,Py鍵入1.00target value設為10。如同先前的file讓輸出beam的diameter為20mm。在CONF 1的要求接設定完畢,在CONF 2則不設任何operand,因為我們不可能在兩種wavelengths操作下要求exact 5:1的beam。回到LED,把surface 1,2,4的curvatures及surface 1的conic皆設為variable,執行optimization(現在有5個variable為active,3個curvatures,1個conic,1個multi-config thickness)。叫出update的OPD plot,你可以在mulit-configuration editor上在”Config 1”或”Config 2”上按兩下,則OPD plot會顯示其對應的configuration,或者你可用Ctrl-A的hot key,在不同的configuration間作變換,你會發現兩者的performance都很好,表示我們所設計的系統在wavelength 1.053或0.6328μ的laser之下皆可以工作。

 

 

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