Zemax 物理光学传播

VECSEL激光器出射准直

条件：

  1. VECSEL视作直径12 mm的圆形器件；
  2. VECSEL激光光斑能量分布视作高斯分布；
  3. VECSEL激光发散角为9°，波长850 nm。

目标：

设计一个平凸透镜实现VECSEL激光输出尽可能准直，利用Zemax物理光学传播观察不同距离下准直光斑的变化情况。

设计前先思考，如何实现一个具有一定发散角的高斯光源，射线光学设计出来的结构是否能与物理光学的结果相吻合？

Zemax实操

  1. 孔径类型的选择，切趾类型，无焦像空间
    Aperture Settings
    这里除了选择光阑尺寸浮动，还可以选择入瞳直径，物方空间NA或物方锥角。选择入瞳直径时需要计算物面到入瞳的距离，考虑到发散角为9°，入瞳大小为VECSEL直径，因此物距为12 mmtan⁡120π≈\frac{12 \ \mathrm{mm}}{\tan\frac{1}{20}\pi}\approx 37.88 mm。如果选择物方空间NA，可以计算NA大小为sin⁡120π≈\sin\frac{1}{20}\pi\approx 1.564。如果选择光阑浮动尺寸，需固定光阑尺寸6 mm并计算出物距。选择物方锥角，则需设置锥角9°，然后设置物距。切趾类型设为高斯，切趾因子为1，这样光束分布截面呈高斯分布（切趾因子0是平均分布)。

  2. 视场不用管，零视场角就行，波长设置为0.85 μm，镜头数据如下
    Lens Data
    此时光束传播距离为100 mm，上图曲率半径是优化好了的，如果没有优化，则设置为变量，在评价函数编辑器里利用操作数RANG（设置实际光线与Z轴夹角）将像面上的实际光束与Z轴夹角优化到尽可能接近0，通常优化边缘光束和0.707孔径处光线的RANG为0。材料如果一开始不确定，随便给一个 就行，例如BK7。这里的S是求解类型替代，通过锤形优化波前差在成都光明玻璃库中找的。

  3. 评价函数编辑器设置如下
    MFE Settings
    RANG是控制面上光束与Z轴夹角的，目标是0，这里优化的是边缘和0.707孔径光线在像面上的角度。POPD，数据23是查看x方向光束半径的。后面的优化是默认优化向导里的波前差（需要设置系统空间里的无焦像空间，否则会往聚焦方向优化！）

  4. 将镜头数据中第三个面到像面的厚度改为10000 mm，然后优化。打开分析⇒\Rightarrow激光与光纤⇒\Rightarrow物理光学，设置如下
    POP Settings
    这里起始面到终止面为计算的区域，表面到光束说的是光源（高斯光束腰）到起始面的距离，左为正右为负。光束定义如下
    Beam Settings
    可以看到高斯光到像面上演化的图案如下
    Final Spot
    其中红色框是物理光学中定义的光束宽度半径，它指的是以质心为圆心，圈内包含86%总能量的圆的半径。

    需要注意的是，这里之所以会有干涉环，是因为当光束传播很远时，透镜边缘的光线与透镜内部的光线产生了光程差，当光程差为半波长的奇数倍时干涉相消，偶数倍时干涉相长。

  5. 为了监测光束半径随传播长度的变化，打开分析⇒\Rightarrow通用绘图工具⇒\Rightarrow一维，设置如下

    Plot Settings 我们可以看到物理光学定义的光束半径随传播距离变化如下 Beam Width vs. Distance 如果觉得光束太宽了，可以回到镜头数据编辑器，将第三个面的标准面改为其他非球面，例如超圆锥面，设定圆锥系数为变量后优化。优化后的光束半径随传播距离变化如下 Beam Width vs. Distance with Asphere 光束传播半径得到了很好的控制。像面上光斑分布如下 Beam Width vs. Distance with Asphere