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ZEMAX光学设计实例（133）---在混合模式下构建棱镜对用于激光束整形

2021-12-20 10:38| 发布者： Davis| 查看：2420| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：This article introduces the process of building a prism pair for laser beam shaping in ZEMAX\'s non-sequential mode. It covers topics such as creating a POB file for the prism, setting up NSC and NSG objects, and using an evaluation function to check the

引言：

在非序列模式中，ZEMAX中的光线能够以任意顺序通过光学元件，所有的光学元件都可以用三维物体来模拟。

POB是指NSC物体中多边形物体的自定义文件，多边形物体由用户定义，既可用于定义开放的多边形面或闭合的多面体，也可以定义表面为反射、折射或吸收面。

ZEMAX对于多边形物体的多边形数目或顶点数目没有固定的限制。

仿真流程：

1. 建立所需棱镜的POB文件

打开一个空白的记事本。

建立一个顶角为30°的直角棱镜。以棱镜直角面的中心为原点建立直角坐标，确定棱镜的各点的坐标，如下图：

说明1：物体的坐标原点以及各点的序号可根据实际情况选取。

说明2：ZEMAX默认的长度单位是毫米（mm）。

用符号“！”定义一个注释行，例如：！front face vertices 。

用符号“V”后面加上顶点序号以及顶点的X、Y、Z坐标来定义该顶点。例如：V 1 -5.5 -5.5 -3.175表示顶点1的X、Y、Z的坐标。

注意：顶点序号必须是整数，且这些数之间用空格隔开；

用符号“R”作为标识，表示由各个顶点连线构成矩形或四边形；

用符号“T”作为标识，表示由各个顶点连线构成的三角形；

用符号“I”作为标识，表示由各个顶点连线构成的直线。

例如：定义一个矩形，需要通过4个顶点连接来定义，R 1 2 3 4 就表示矩形的顶点1、顶点2、顶点3和顶点4连接成一个矩形。

还要注意的有：顶点的次序不可以任意，必须以顺时针方向或逆时针方向排列。

另外，还要规定表面的物理性质，这是在表面形状的规定标识后再加一个数，如下：

标识“0”，定义折射面；

标识“-1”，定义吸收面；

标识“1”，定义反射面。

例如：R 1 2 3 4 0，就表示矩形的顶点1、顶点2、顶点3和顶点4连接成一个矩形折射面。

现在，建立一个顶角为30°的直角棱镜，以棱镜直角面的中心为坐标原点，并计算出各个顶点的坐标，在记事本中输入以下内容：

然后将编写好的POB文件保存在“ZEMAX→Objects→Polygon Object”文件夹下，文件名为“Prism30.POB”。

2. 非序列元件/非序列群和光线追迹

单个棱镜属于非序列元件（NSC）。

非序列群（NSG）由一个以上的NSC构成，如棱镜对。

常用棱镜可以直接从ZEMAX自带的Objects表（POB文件）中调用，其他NSC或NSG可以自己编写POB文件。

（1）设置孔径、视场和波长

孔径、视场和波长的设置与序列模式的相同，此时，需要设第2面为非序列Object的入口，将第2面设为全局坐标原点，如下图：

（2）棱镜对的几何图形及参数计算

棱镜对的几何图形如下图：

由此可计算出相关参数如下：

（3）设置NSG的入口与出口

LDE如下图：

第2面为非序列元件（Non-Sequential Component），第2面为NSG入口，第3面NSG出口。

打开NSC Editor，设置如下图：

第1行和第2行的Data File都选择“Prism30.POB”，第一个棱镜的入口坐标为（0、0、2.5），第二个棱镜的出口坐标为（0、-6.0、12.38），并设置TiltZ=180，材料都为H-ZF13。ZEMAX会自动插入大小和方向符合要求的棱镜对，且第二个棱镜相对于第一个棱镜绕z轴旋转了180°，查看3D Layout：

可以看出，3D Layout的YZ截面图形与序列模式下的图形完全相同。

（4）用评价函数复核光束直径

在MFE中建立以下操作数：

评价函数的设置与序列模式时基本一致。

第12行算出棱镜对的扩束比M=3.246，与初始理论计算值一致。

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