ZEMAX光学软件习作五：multi-configuration laser beam expander

你将学到：使用multi-configuration capability。
假设你需要设计一个在波长λ＝1.053μ下操作的laser beam expander，Input diameter为100mm，而output diameter为20mm，且Input 和output皆为collimated。在此设计之前，我们必须遵守下列设计条件，
只能使用2个镜片 
本设计在形式上必须是Galilean（没有internal focus） 
只有一个aspheric surface可以使用 
此光学系统必须在λ328μ下完成测试。 
　
本设计任务不只是要矫正aberration而已，而是在两个不同wavelengths的情况下都要做到。先谈谈条件2中什麽是Galilean呢？Galilean就是光线从入射到离开光学系统，在光学系统内部不能有focus现象，在本例中即beams在两个镜片之间不能有focus。好在本系统不是同时在2个wavelengths下操作，所以在操作时我们可以变动某些conjugates。现在开始设计，依据Zemax P.4-18页的LDE表中键入各surface的相关值。其中surface 5的surface type从Standard改为Paraxial，这时在镜片后面的focal length项才会出现。注意到使用paraxial lens的目的是把collimated light（平行光）给focus。同时把surface 5的thickness及focal length皆设为25，entrance pupil的diameter定为100，wavelength只选一个1.053 microns即可，记住不要在设第二个wavelength。叫出merit function，在第1列中把operand type改为REAY这表示real ray Y将用来作为一种constraint，在本设计中，我们被要求Input diameter为100而output diameter为20，其比值为100：20＝5：1，即入射beam被压缩了5倍，在srf#中键入5，表示在surface中我们要控制他的ray height，而Py上则键入1.00。把target value定为10，这个动作将会给我们一个diameter collimated为20mm的output beam。为什麽呢？因为Py是normalized的pupil coordinate，即入射光的semi-diameter为50。，Py＝1即现在的入射光is aimed to the top of the entrance pupil，把target value定为10，就是输出光的semi-diameter为10，所以50：10＝5：1，光被压缩了5倍，达到我们的要求。semi-diameter的值定为10，现在选Tools，Update，你会看到在value column上出现50的值，这就是entrance pupil radius即表示coordinates是座落在一个单位圆（unit circle）上，而其半径为50，当Px＝0，Py＝1即表示在y轴的pupil大小为50，而在x轴的则为0。
从edit menu bar选Tools，Default Merit Function，按Reset后把”Start At” field的值改为2，这表示以后的operands会从第二列开始，而不会影响已建立的REAY operand。执行optimization后，把OPD plot叫出来，如图E5-1所示，你会发现performance很差，大约为7个waves。
这个aberration主要来自spherical aberration，所以我们要把surface 1改为a spheric，把surface 1列中的conic设为variable，再次执行optimization，你会看到较好的OPD plot。现在把所有的variable都去掉，然后将此field存档，因为你已完成wavelength在1.053μ下的beam expander设计。但是wavelength在0.6328μ的情况怎麽办呢？我们进入此习作的另一个主题，也就是multi-configuration可以在同一系统中同时设定不同的configuration，以适应不同的工作环境或要求，先前我们已完成了wavelength为1.053μ的configuration，把他看做configuration 1，而wavelength 0.6328为configuration 2。
把wavelength从1.053改为0.6328后看看OPD plot，出现非常差的performance，这是因为glass dispersion的缘故。我们调整lens spacing来消除此defocus把surface 2的thickness设为variable，执行optimization后，update OPD plot，此时的aberration大约为一个wave，接下来消掉surface 2 thickness的variable。现在我们来使用Zemax的multi-configuration capability功能，从main menu上选Editors，后Multi-configuration，再选其中的Edit，Insert Config，如此我们就可以加入一个新的configuration，在第一列的第一项中按两下，选”wave”，同时在”Wavelength#”中选为1，这表示在不同的configuration，我们使用不同的wavelengths。在Config 1下键入1.053，Config 2下键入0.6328，在插入一个新的列于此列的第一项中按两下，选THIC为一个operand type，这会让我们在各别的configuration中定义不同的thickness，从”surface” list中选2后按OK。在Config 1下键入250，Config 2也键入250，不过在surface中选2即表示在LDE中surface 2的thickness是当作mult-configuration的一项oprand value，把Config 2下surface 2的thickness设为variable。回到merit function editor，选Tools，Default Merit Function，把”StartAt”的值改为1，使default merit function会从第一列开始考虑。现在先前设定的REAY constraint条件必须加到此新的multi-config merit function，在merit function的第一列中，有一个CONFoperand且在”Cfg#”项中定为1，表示现在configuration 1是avtive。在此列之下尚有三个OPDXoperands，于CONF和第一个OPDX之间插入一个新列，把其operand type改为”REAY”，”Srf#”键入5。表示我们要控制的ray height是对surface 5而言，Py键入1.00target value设为10。如同先前的file让输出beam的diameter为20mm。在CONF 1的要求接设定完毕，在CONF 2则不设任何operand，因为我们不可能在两种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皆设为variable，执行optimization（现在有5个variable为active，3个curvatures，1个conic，1个multi-config thickness）。叫出update的OPD plot，你可以在mulit-configuration editor上在”Config 1”或”Config 2”上按两下，则OPD plot会显示其对应的configuration，或者你可用Ctrl-A的hot key，在不同的configuration间作变换，你会发现两者的performance都很好，表示我们所设计的系统在wavelength 1.053或0.6328μ的laser之下皆可以工作。