準直光學系統的設計仿真案例綜述由上文可以看出半導體激光器快慢軸方向上的發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直，下面分別對快軸和慢軸進行研究分析：1.1快軸準直透鏡的設計快軸方向上的發散角較大，準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行準直，以減小像差，提高準直效率，進一步提高耦合效率。在Zemax中，設光軸為z軸，作為非球面的對稱軸，以非球面的頂點作為坐標原點，查資料可得Zemax中的非球面方程表達式：其中，；r為鏡面孔徑半徑，c為曲率半徑的倒數，k為曲面的圓錐系數，為非球面各階系數。圖1.1-1光束快軸準直原理圖光束快軸準直原理圖如上所示：因為準直之后要求激光光束平行出射，可以根據費馬原理可以得到：可以解得：對比Zemax中的標準的非球面方程方程可解得：由幾何關系可知：進而可以解得：在半導體激光器準直后的目標光斑半徑已知的情況下，選定一定的材料，即可計算得到相應的非球面參數。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：按照所計算得到的數值進行優化設計，由于Zemax中在非序列模式下的優化較為復雜，因而選擇在序列模式下采用逆反光路的方法進行優化，優化前后的示意圖如下所示：圖1.1-2優化前后光路示意圖（左：優化前，右：優化后）優化后的光斑示意圖如下所示：圖1.1-3快軸透鏡優化后SPT光斑圖由上圖可以看出優化后的光斑半徑在2.5μm以內，優化后的球差明顯減小，優化后的數值如下所示：圖1.1-4快軸準直透鏡優化后參數圖將優化后的參數輸入Zemax的非序列模式中進行仿真，準直示意圖如下所示：圖1.1-3快軸準直示意圖快軸準直前后發散角如下圖所示：圖1.1-4快慢軸準直前后發散角（左：準直前；右：準直后）由以上各圖可以看出，經非球面透鏡準直后的快軸方向光束近似于平行光，發散角大幅度降低。通過Zemax軟件可以得出，光束快軸方向上的光斑半徑為0.3828mm，發散半角為0.372度。準直前后的光參數積如下：表1.1快軸準直前后光參數積光束半徑（mm）發散半角（mrad）光參數積（mm·mrad）快軸準直前0.0005698.13170.3491快軸準直后0.38286.49262.4851.2慢軸準直透鏡系統的設計慢軸準直透鏡組的準直原理與快軸準直透鏡原理基本相同，但是由于慢軸方向上的發散角較快軸方向上的發散角小，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，但是為了更好的準直效果，采用兩片普通柱透鏡進行準直，可以起到較好的準直效果。圖1.2-1慢軸光束準直原理圖光束準直原理圖如上所示，根據物理光學原理和幾何關系：為使出射光束發散角盡可能與光軸平行：可以推導出曲率半徑：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的非序列模式中優化透鏡參數十分困難且優化得到的參數準確度不夠，因而選擇在序列模式下進行優化，優化后光路示意圖如下：圖1.2-2慢軸透鏡組優化后光路圖優化后的SPT光斑圖如下所示：圖1.2-3慢軸優化后光斑圖由上圖可以看出優化后的光斑半徑在8μm范圍內，光斑半徑較小，優化后的透鏡參數如下所示;圖1.2-4慢軸方向透鏡優化后參數將優化后的參數輸入序列模式進行仿真可以得到慢軸方向準直示意圖如下所示：圖1.2-2慢軸方向光束準直示意圖準直前后慢軸方向發散角如下圖所示：圖1.2-3慢軸方向發散角（左：準直前；右：準直后）由以上各仿真圖可以看出，準直后慢軸方向上的光束近似為平行光。對于慢軸方向的準直采用兩片柱透鏡組合進行準直，某種程度上降低了能量的透射率并提高了加工難度，但是降低了發散角，降低了像差，改善了準直光束的光束特性。準直后的發散半角為0.4112度，準直前后的光參數積如下所示：表1.3慢軸準直前后光參數積光束半徑（mm）發散半角（mrad）光參數積（mm·mrad）慢軸準直前0.025209.445.236慢軸準直后1.0797.17687.7437以上分析可以看出經準直后的激光的光參數積會變大，這在實際應用中有著更好