準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仿真案例綜述由上文可以看出半導(dǎo)體激光器快慢軸方向上的發(fā)散角具有較大的差異，要提高耦合效率，必須先對兩個方向上的光束分別準(zhǔn)直，下面分別對快軸和慢軸進(jìn)行研究分析：1.1快軸準(zhǔn)直透鏡的設(shè)計(jì)快軸方向上的發(fā)散角較大，準(zhǔn)直后造成的像差也較大，而采用一般的柱透鏡又難以消除像差造成的影響。綜合考慮，選擇非球面柱透鏡對快軸光束進(jìn)行準(zhǔn)直，以減小像差，提高準(zhǔn)直效率，進(jìn)一步提高耦合效率。在Zemax中，設(shè)光軸為z軸，作為非球面的對稱軸，以非球面的頂點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，查資料可得Zemax中的非球面方程表達(dá)式：其中，；r為鏡面孔徑半徑，c為曲率半徑的倒數(shù)，k為曲面的圓錐系數(shù)，為非球面各階系數(shù)。圖1.1-1光束快軸準(zhǔn)直原理圖光束快軸準(zhǔn)直原理圖如上所示：因?yàn)闇?zhǔn)直之后要求激光光束平行出射，可以根據(jù)費(fèi)馬原理可以得到：可以解得：對比Zemax中的標(biāo)準(zhǔn)的非球面方程方程可解得：由幾何關(guān)系可知：進(jìn)而可以解得：在半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)直后的目標(biāo)光斑半徑已知的情況下，選定一定的材料，即可計(jì)算得到相應(yīng)的非球面參數(shù)。在本文中玻璃材料選擇對808nm激光有較高折射率的BK7玻璃，其折射率為n=1.5168，出射光斑半徑取y=1mm，可以得到：按照所計(jì)算得到的數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，由于Zemax中在非序列模式下的優(yōu)化較為復(fù)雜，因而選擇在序列模式下采用逆反光路的方法進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化前后的示意圖如下所示：圖1.1-2優(yōu)化前后光路示意圖（左：優(yōu)化前，右：優(yōu)化后）優(yōu)化后的光斑示意圖如下所示：圖1.1-3快軸透鏡優(yōu)化后SPT光斑圖由上圖可以看出優(yōu)化后的光斑半徑在2.5μm以內(nèi)，優(yōu)化后的球差明顯減小，優(yōu)化后的數(shù)值如下所示：圖1.1-4快軸準(zhǔn)直透鏡優(yōu)化后參數(shù)圖將優(yōu)化后的參數(shù)輸入Zemax的非序列模式中進(jìn)行仿真，準(zhǔn)直示意圖如下所示：圖1.1-3快軸準(zhǔn)直示意圖快軸準(zhǔn)直前后發(fā)散角如下圖所示：圖1.1-4快慢軸準(zhǔn)直前后發(fā)散角（左：準(zhǔn)直前；右：準(zhǔn)直后）由以上各圖可以看出，經(jīng)非球面透鏡準(zhǔn)直后的快軸方向光束近似于平行光，發(fā)散角大幅度降低。通過Zemax軟件可以得出，光束快軸方向上的光斑半徑為0.3828mm，發(fā)散半角為0.372度。準(zhǔn)直前后的光參數(shù)積如下：表1.1快軸準(zhǔn)直前后光參數(shù)積光束半徑（mm）發(fā)散半角（mrad）光參數(shù)積（mm·mrad）快軸準(zhǔn)直前0.0005698.13170.3491快軸準(zhǔn)直后0.38286.49262.4851.2慢軸準(zhǔn)直透鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)慢軸準(zhǔn)直透鏡組的準(zhǔn)直原理與快軸準(zhǔn)直透鏡原理基本相同，但是由于慢軸方向上的發(fā)散角較快軸方向上的發(fā)散角小，對像差要求不是特別高，因而無需采用制作工藝較高的非球面透鏡，但是為了更好的準(zhǔn)直效果，采用兩片普通柱透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直，可以起到較好的準(zhǔn)直效果。圖1.2-1慢軸光束準(zhǔn)直原理圖光束準(zhǔn)直原理圖如上所示，根據(jù)物理光學(xué)原理和幾何關(guān)系：為使出射光束發(fā)散角盡可能與光軸平行：可以推導(dǎo)出曲率半徑：在本文中玻璃材料選擇對808nm激光有較高折射率的BK7玻璃，其折射率為n=1.5168。由于在Zemax的非序列模式中優(yōu)化透鏡參數(shù)十分困難且優(yōu)化得到的參數(shù)準(zhǔn)確度不夠，因而選擇在序列模式下進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后光路示意圖如下：圖1.2-2慢軸透鏡組優(yōu)化后光路圖優(yōu)化后的SPT光斑圖如下所示：圖1.2-3慢軸優(yōu)化后光斑圖由上圖可以看出優(yōu)化后的光斑半徑在8μm范圍內(nèi)，光斑半徑較小，優(yōu)化后的透鏡參數(shù)如下所示;圖1.2-4慢軸方向透鏡優(yōu)化后參數(shù)將優(yōu)化后的參數(shù)輸入序列模式進(jìn)行仿真可以得到慢軸方向準(zhǔn)直示意圖如下所示：圖1.2-2慢軸方向光束準(zhǔn)直示意圖準(zhǔn)直前后慢軸方向發(fā)散角如下圖所示：圖1.2-3慢軸方向發(fā)散角（左：準(zhǔn)直前；右：準(zhǔn)直后）由以上各仿真圖可以看出，準(zhǔn)直后慢軸方向上的光束近似為平行光。對于慢軸方向的準(zhǔn)直采用兩片柱透鏡組合進(jìn)行準(zhǔn)直，某種程度上降低了能量的透射率并提高了加工難度，但是降低了發(fā)散角，降低了像差，改善了準(zhǔn)直光束的光束特性。準(zhǔn)直后的發(fā)散半角為0.4112度，準(zhǔn)直前后的光參數(shù)積如下所示：表1.3慢軸準(zhǔn)直前后光參數(shù)積光束半徑（mm）發(fā)散半角（mrad）光參數(shù)積（mm·mrad）慢軸準(zhǔn)直前0.025209.445.236慢軸準(zhǔn)直后1.0797.17687.7437以上分析可以看出經(jīng)準(zhǔn)直后的激光的光參數(shù)積會變大，這在實(shí)際應(yīng)用中有著更好