【实例简介】
简介：作者自学Zemax在实践中，光学设计和案例汇编为初学者提供了使用软件进行光学系统设计实践的整个过程Zemax光学系统设计软件。常用的2005或2009软件版本。由于两个版本在某些菜单列表和窗口形式上的在一些差异，读者需要自比较测试。一些最初的例子是基于目前常见的教科书和练习，以丰富本文的内容，同时对初学者更有帮助。作者学习浅薄，不保证文本的科学性和有效性，其主要作用是帮助自己积累、回顾和追溯知识。本文将尽可能详细地描述每个例子的关键位置，以达到尽可能全面地掌握知识的目的。基于理论与实践的结合，本文不仅描述了如何设计光学系统，还讨论了如何设计光学系统
Zemax激光光学设计实例应用-自学案例汇编
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图18-43D光路结构图(混合序列模式)
为了减少麻烦，无需在非序列模式中重新编辑所有组件；我们可以直接将上述例子转换为
改为非序列模式。步骤是主菜单 Tools→ MIsce1 aneous→ Convert to NsC Group,
在弹出对话框中，选择要转换的序列范围，例如 Surface2到 Surface13,
同时注意勾选 Convert file to non- sequenti al mode,确定后，可转换为非序列
模式,透镜元件都在。不过,你会发现,原来已有的非序列组件不能转换过来,自动消失了。
但没关系，重新编辑缺失的组件。如图18-5所示，添加圆柱体(光纤)组件，
再加几个探测器(方便自己观察的位置)
BI Non-Sequential Component Editor
Edit Solves Errors Detectors Database Tools ViEW Help
object Type
comment
2P351t1h
Material Front FZ Length
Back r
inder volume
.050
standard I er
F15
10.70
N-5F6
4R.00
冂.000
.250
standard Ler
F15
11.820
N一LAK
s.50n
6250
Toroid a Lers surfaces
00Q
2.530
standard Lerssurfaces
45,440
D.00Q
tandard Lers surfaces
4,320
0。000
standard Lers surfaces
47.3z0
BA/
.000
5,350
Detector民ect
116.000
Detector Fect
5.200
200
图18-5非序列光学组件列表
接下来，我们关注光源的选择。因为光源的选择会明显影响仿真的实际效果
果。
在这里，我们需要一个发散光源，发散角基本上与光纤的数值孔径相同，光源放置在光源中
纤维前端-入射端。非序列光源组件有多种类型，包括椭圆形光源 Source e1 lipse
半导体光源 Source diode等等。所有这些可改变发散角的光源都符合要求吗？
《 Matlab作者制作了辅助激光光学分析与应用
Zemax激光光学设计实例应用-自学案例汇编
看光源通过光纤组件输出一段距离光的分布和聚焦。
我们首先选择椭圆形光源 Source e11ipse放置在光纤输入端作为输入光源。
看，椭圆形光源 Source e11ipse它是一个面光源，可以分别设置两个半轴长度，但实际上也是
是无限远点光源。要设置光源的发散角，需要改变发光源的位置，从无限远到有限距离。
obiect
comment z Position Material*Layout
Source
pie
50.020
500000
Power (wat.. wavenumber color# x Half wi.. Y Half wi.source Di..
1.000
0.020
0.020
0.100
图18-6椭圆光源参数设置
光源参数设置如图18-6所示，类型 object Type选择 Source e11ipse,位置z
PoSItion设为-50.绘制光数 Layout rays设为50,分析光线数目 Analysis
RayS半轴长度(相当于光阑)改为5万 X Half width、 Y Half width均设为
0.02(小于光纤半径) Source distance设为0.1.其他参数可以默认。
在此设置中，光源距离与光阑尺寸的配合正好获得数值孔径NA为0.2光源。然后在光纤中输送光纤
离光纤端面0.5mm将探测器放置在检测输出光分布和探测器像素的位置
500尺寸略大于预测光斑尺寸(一般2倍)
设置完美，打开3D光路结构图，如图18-7所示。混合序列模与图18-4所示
除了绘图光的均匀性之外，非序列模式中的绘图光是随机分布的，但没有明显的区别
在序列模式中，绘图光线分布均匀
局部放大图像，观察光纤输入端和输出端，注意光线是否溢出或发散角
是否一致等，如图18-8和18-9所示。因为，作者发现了一个减少光纤直线的问题
径，在一定程度上，会影响输出端的光值孔径，似乎部分发散角大的光被消除
,输出的光值孔径变小。然而，如果将光纤长度缩短到一定程度，则输出光
数值孔径可以恢复正常。目前尚不清楚这个问题的具体原理和原因就是说，
用这个圆柱体cy1 inder yo lume要模拟光纤，需要注意育径-长度比，否则会丢失
读者注意失去信息。
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图18-73D光路结构图(非序列模式)
图18-83D光路结构图-光纤前端(非序列模式)
《 Matlab辅助激光光学分析与应用》作者出品
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图18-93D光路结构图-光纤出端(非序列模式)
然后打开探测器观察窗口，然后打开光跟踪控制器，跟踪所有探测器的光。在这里，我
在光输出端口和光聚焦位置放置了两个探测器。首先看光纤输出端的光分布，
如图18-10所示，光纤输出端附近的光斑形状和光密度分布如图所示
看，分布不是很均匀，但光斑的整体轮廓效果还是可以看到的:；然后切换到非相关模式，如
如图18-11所示，此时光线分布严重不均匀，甚至光斑轮廓也看不见，这显然已经看到了
与实践经验相去甚远。
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DETEC T0R工MRGE: COHEEENT工RRFD工FNCE
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XELS 500WX 591 H. TOTAL HITS =499993
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图18-10探测器光分析-光输出端(相干模式)
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DETECTOR工HGE: INCOHERENT RR工HNE
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EF工RRR工RNCE
40TE 004 HATTSCH 2
TOTHL POWER
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图18-11探测器光分析-光输出端(非相关模式)
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DETE匚TDR工NRGE: COHERENT工 =EDLNCE
ND: HG BERM ELTWERY STSTEM
TUE MAY
正 ETECTOR 9. NSCG SLRFRCE
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OTAL POWER
2.5占5E-2 MATTS
图18-12探测器光线分析-聚焦光斑(相干模式)
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r94:15屮
714,725
35,32
555,1
23827E
58 8317
ETEGTUE工MRGE: INCOHEENT RRH工RNCE
LD: YAG BERM DELIVERY SYSTE1
RCE 1
SLZE 4I LX 21DE5 H MILLLHE TER PLNELS 59 5X 505 H. OTAL HTs =197978
CE::60:m
2
TOTHL FILER
图18-13探测器光线分析-聚焦光斑(非相干模式)
再看另外一个探测器,光线经过透镜光学系统整形聚焦后的光斑形状和光线分布情况,
相干模式和非相干模式分别如图18-12和18-13所示。同样,相干模式虽然分布也不均匀
但基本还能看出光斑轮廓为以椭圆光斑;而非相干模式下,光线分别很不均匀,看上去光斑
形状也不是椭圆形,而是一个变形了的菱形。于是,笔者怀疑光源的选择和设置可能不人合
理。可能是由于光源本质还是一个点光源,即使通过光纤(圆柱体)后光线也没能有效匀化
所致。
那么,换一个光源类型,比如半导体光源 Source diode会不会更好一些。如图18-14
所示,光源类型选择 Source diode,位置 z Postion设为-50.02,绘图光线数目
Layout rays设为50,分析光线数目 Analysis Rays设为500000,发散角
X- Di vergence、Y- DI vergence均设为12(匹配光纤数值孔径),其他参数默认即可。
如此设置,获得的数值孔径NA差不多也为0.2的光源ε然后同样在光纤输出端、距离光纤
端面0.5mm的位置放置一个探测器,检测输岀光线分布情况,探测器像素500,尺寸要比
预测光斑尺寸略大一些(一般2倍即可)。
更新3D光路结构图,放大观察光纤入射端和输出端的光线情况,分别如图18-15和
18-16所示,可见都还比较正常,没有溢出光线,输出发散角也比较合理。
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object Type
Comment Position Material+ I ayout.*Analysi.
Source diode
0,U∠0
object Type Astigmatismx-Diver ge.X-superGa.Y-Diverge.Y-superGa
source D1 odel
0.0D0
12.00
0.0112.0000.01
图18-14导体光源参数设置
图18-153D光路结构图-光纤前端
图18-163D光路结构图-光纤输出端
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之18,28
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JE TEG TOR工MRGE:Cu仨RENT工 CERO LHNGE
LD: YAG BERM DELIVERY SYSTE1
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工RRRL工FNCE:3,1L8HE+2
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B,5551E-
图18-17探测器光线分析-光线输出端(相干模式)
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DETECTOR工MRGE:工 COHEZET工RRR囗工FCE
HG BERM DELIVERY SYSTE
正 TECTOR10. NSCG EURFACE L
X,啦H工能TE,PX555H而HT=第83
工 H:z:22
SrCH+
图18-18探测器光线分析-光线输出端(非相干模式)
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【实例截图】
【核心代码】