摘要:
光束取樣光柵(BSG)是一種重要的用于光束取樣診斷的衍射光學(xué)元件。以2塊取樣光柵代替單塊光柵作為初始光學(xué)結(jié)構(gòu),運(yùn)用Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件采用分步優(yōu)化的方法設(shè)計(jì)了具有消像差功能的光柵對(duì)結(jié)構(gòu),此方法比采用Matlab語言編程計(jì)算的方法消像差更快捷、更靈活,同時(shí)可以驗(yàn)證程序計(jì)算結(jié)果的正確性。設(shè)計(jì)結(jié)果顯示:再現(xiàn)的會(huì)聚光經(jīng)2塊光柵衍射后在像平面上點(diǎn)列圖中的均方根半徑僅為0.506μm,單塊取樣光柵的均方根半徑則為7.284μm,說明2塊光柵能夠做到像差互相矯正,其像質(zhì)明顯好于單塊取樣光柵。另外,設(shè)計(jì)出的雙光柵光學(xué)系統(tǒng),可進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)光斑質(zhì)量檢測(cè),為激光束性能的在線診斷提供了行之有效的技術(shù)支持。
引言
取樣光柵是一種相位型的變周期光柵,可以看成離軸的全息波帶篇,這種光柵結(jié)構(gòu)以-1級(jí)衍射光束作為取樣光束,其衍射效率由光柵的深度和占寬比決定。取樣光柵一般用全息記錄方式制作,記錄波長(zhǎng)和取樣波長(zhǎng)不一致會(huì)造成衍射光像差大,不宜診斷遠(yuǎn)場(chǎng)光斑質(zhì)量。若是雙光柵結(jié)構(gòu),由于多出2個(gè)記錄點(diǎn)的4個(gè)位置坐標(biāo)變量,可以大大提高消像差的效果。
光柵記錄點(diǎn)位置可以通過計(jì)算機(jī)編程求解光柵方程得到。而編程計(jì)算有時(shí)過于費(fèi)時(shí)、繁瑣,本文采用ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件及其宏編程語言設(shè)計(jì)此雙取樣光柵結(jié)構(gòu),通過合理設(shè)計(jì)兩光柵的相對(duì)位置和偏轉(zhuǎn)角度,優(yōu)化光柵記錄點(diǎn)坐標(biāo)使得像差最小。設(shè)計(jì)結(jié)果表明,此結(jié)構(gòu)能夠滿足實(shí)際使用需求,為光柵設(shè)計(jì)提供了一種新的方法。
1 光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
初始結(jié)構(gòu)的選取對(duì)于采用ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)是非常重要的一步。依據(jù)BSG的使用條件,如光束取樣角度、聚焦距離等確定雙光柵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。光學(xué)結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)(取樣角度、聚焦距離)的設(shè)定需考慮到后期像差的可矯正性。我們的目的是在此光學(xué)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上優(yōu)化記錄參數(shù),進(jìn)行消像差。
圖1 光程函數(shù)原理圖
圖中f1、f2分別為2光柵的取樣距離。
1.1 設(shè)計(jì)原理與步驟
取樣光柵作為離軸相位型菲涅爾波帶片,其聚焦距離、衍射角度等以光柵方程
為依據(jù),由2個(gè)記錄點(diǎn)的坐標(biāo)變量(x0,y0,z0)和(xR,yR,zR)確定形成具有特定形貌的光柵槽型,在一定再現(xiàn)條件下實(shí)現(xiàn)光束采樣。同時(shí)這2個(gè)記錄點(diǎn)坐標(biāo)變量的選取是與使用條件相關(guān)的。
......
3 結(jié)果評(píng)價(jià)
展現(xiàn)的會(huì)聚光經(jīng)2塊光柵衍射后在像平面上的點(diǎn)列圖如圖6所示。從圖中可以得知均方根半徑為0.506μm,此像質(zhì)較上述單塊取樣光柵像質(zhì)(均方根半徑7.284μm)要好得多,說明2塊光柵能夠做到像質(zhì)互相矯正。另外作為對(duì)比,如果均以100cm作為初始結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖7所示。RMS值為36.7μm,其像質(zhì)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)劣于分布優(yōu)化的結(jié)果,而且優(yōu)化時(shí)間也較分步優(yōu)化的時(shí)間長(zhǎng)。
4 結(jié)論
以上從光柵對(duì)結(jié)構(gòu)出發(fā),利用ZEMAX軟件,采用分步優(yōu)化的方式消除光柵系統(tǒng)像差,免去求解像差方程組的困難,在很大程度上減少了人工運(yùn)算,提高了工作效率。這樣的取樣光柵對(duì)結(jié)構(gòu)可完成波前畸變檢測(cè)的工作,為大型激光束性能評(píng)價(jià)提供了有利的幫助。
審核編輯:湯梓紅
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原文標(biāo)題:光學(xué)軟件 | ZEMAX在取樣光柵對(duì)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
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