ZEMAX模拟衍射光学元件DOE

利用衍射光学元件搭建系统前进行模拟是非常必要的，Zemax是一款广泛使用的光学模拟软件，但其应用于衍射光学元件的模拟时还有一些缺陷，例如多模激光光源的建模缺乏标准方法。Holoor公司完善了ZEMAX模拟衍射光学元件DOE的方法，通过应用散射模型来模拟和优化Zemax™中的单模和多模激光器。利用这种方法可以使用几何光线跟踪来实现类似物理光学的结果，实现对于不同激光加工设备的衍射光学元件Zemax建模。

对于激光器，单模激光器已经取得了广泛的应用，但也有许多工业激光器的M2在3到大约100的范围内，通常被称为多模激光器。这些激光源包括多模光纤激光器，多模光纤耦合二极管激光器，准分子激光器，多模固态激光器和VCSEL阵列等。由于多模激光器的装配精度要求相对较低，输出功率高，因此应用得越来越广，多模激光器的建模仿真已经刻不容缓了，推出一种对多模激光器的模拟仿真方法对衍射光学元件激光加工有着重要意义。

下面将首先讨论激光的性质以及M2的定义。其次，演示用于光线跟踪模拟的新散射模型方法并显示了结果，第三部分将进行具体案例研究，以展示该方法的有效性和局限性。

激光光束质量M2

光束质量或光束的“多模”状态通常由M2定义。这是一个简化的数字，它考虑了三个激光参数，并根据光束大小和光束发散角度来定义，而不根据幅度和相位。在图1中，我们显示了统计上M2相同的一些相位和振幅分布图示例。假设波长是恒定的， 可以通过更改光束大小和发散角来修改激光器的M2。

在衍射光学元件的模拟中，光束质量M2是一个非常重要的参数，M2数值的大小决定了激光器能匹配的DOE，例如有些激光器可以配合光束整形器，螺旋相位板，长焦深DOE使用，而另一些M2数值不同的激光器也许就只能配合匀化器、扩散器、多焦点DOE，衍射锥透镜使用。

为了更好地理解M2，我们考虑两种情况：单模高斯光束，后跟理想负透镜与光学扩散器。在这两种情况下，光束的发散度和腰部直径都可以相等，但是对于第一种情况，光束保持为单模，而对于第二种情况，光束变为多模。对于第一种情况，可以通过放置正透镜轻松地减去透镜的波前相位相加，并且激光将完全变回单模。从理论上讲，同样可以对第二个示例执行相同的操作，但是实际上，要找到消除散射效应的确切波前逆相位要复杂得多。

2.使用几何射线追踪对多模激光进行建模仿真：

几何射线追踪对多模激光进行建模仿真的基本原理：利用光学系统内所有其他光学部件不相关的波前形状对光源进行建模在光学装置基于透镜的情况下，则对于多模式激光器，可以使用具有棱镜光焦度的波前，例如棱镜阵列。棱镜阵列或透镜阵列是通用解决方案，适用于除具有多个阵列的系统以外的大多数激光系统。但是，由于控制单个射线的复杂性和有限的几何形状选项，一些使用阵列的标准优化方法变得不够。因此，数组不是一个好的建模选择。

3.衍射光学元件Zemax建模设计实例

3.1 Zema中激光光源的初始设置

首先定义常规属性开始-波长，光圈值，镀膜类型和镀膜因子。

高斯因子定义为1，因为稍后将通过散射到Airy盘中来调整散度。接下来，插入一个标准曲面，并在“属性”选项卡中，选择“散射”，然后选择一种特定的散射方法来描述角射线的分布和角度。在本文中，我们使用高斯散射类型，将“散射分数”（Scatter fraction）设置为1。在该开放光点图上，修改造成光束发散的散射Sigma值，以使光点图中的光线充满艾里斑。该西格玛值对应于单模M2 = 1。为了定义不同的M2值，我们将M2 = 1 的Sigma值乘以所需的M2我们要建模的值（例如，将sigma乘以10来建模M2 = 10）。

在下图的左上方，显示了具有简单设置的Zemax透镜透剧编辑器，包括近轴透镜和散射窗口的界面。调整了散度以填充Airy磁盘的点图在图3的左下方显示。可以看到没有散射时，所有光线都到达单个几何点，并且没有描述真实的光斑大小。

3.2通过近轴透镜聚焦M2 值为1和10的单模激光束

首先，重要的是要证明模型与理论值是一致的。为此，我们将比较腰部和距腰部瑞利长度处的光束大小，已知比率为

模拟参数：波长1064 nm，光束直径6 mm，EFL 20 mm，切角系数4，光圈大小12 mm。

在图4中，我们在ZX平面中显示了一个二维强度图，以显示新的焦点尺寸。白色虚线是理论上的光点大小，绿色虚线是与模拟的光点大小相关的。单模M2 = 1（左图）和多模M2 = 10（右图）的理论值和模拟值之间的计算差值小于2％，对于大多数应用而言，这已经足够接近了。

下图在腰部位置附近使用散射法在ZX平面上的强度分布 白色和绿色虚线分别表示理论上和模拟上的光斑大小。对于M2 = 1（左），对于M2 = 10（右）图像。

3.3使用标准三重态耦合器进行光纤耦合

对于光纤耦合效率分析，我们选择了索雷博的Triplet准直仪模型（TC25APC-1064 – 1060 nm，f = 25.23 mm，NA = 0.25，FC / APC）。为了进行模拟，我们使用了直径为6 mm的同一入射光束，其中M2 = 10，由散射和波长1064 nm定义。任务是检查NA 0.22和纤芯0.1 mm的光纤的耦合效率。对于位置优化，我们使用了IMAE操作数。

Zemax利用散射效应对光斑进行几何图像分析，以通过三重态光学器件评估光纤耦合效率。左–对于M2 = 10的光束，右– M2 = 1

3.4双合透镜和单透镜用于聚焦的比较

高度多模的光源对光学质量的敏感度较低，因为光学缺陷会被更强的光束质量光学效果所掩盖。这些知识可以帮助节省不必要的光学质量投资。

在此示例中，我们将继续使用相同的输入参数，并将Thorlabs目录中由高折射率玻璃（型号ACA254-030-1064）制成的空气间隔双重透镜与一个简单的平凸透镜进行比较。两个聚焦元件的EFL均为30毫米。调整系数设置为2.25，这对于高功率聚焦应用通常是为了防止光圈减小。

在图6中，我们显示了单模高斯源的点图。左图为单重态，右图为双重态。根据射线相对于Airy圆盘的分布（黑线圆），双线态的性能比单线态更好（像差较小）。

图6具有30毫米EFL的镜头的光斑图。左图为单重态镜头，右图为空距双态。

在下一个图7中，我们显示了M2 = 1（左）和M2 = 10（右）的光束的几何图像分析。

对于M2 = 1，具有双合透镜的光点看起来不错，并且相对于单模激光的衍射极限，光斑尺寸仅增加了20％，但是对于单透镜，光斑尺寸几乎是衍射极限的4倍。对于M2 = 10，情况完全不同–双峰和单峰的结果相同。在这种特定情况下，使用多模式激光器时，每次设置的价格经济性可以达到几百美元。

图7聚焦光束的激光束强度分布图 左– M2 = 1的单模激光器，右– M2 = 10的多模激光器。

* ZEMAX对于多模式耦合有自己的教程场景[11]。束模型中的散射概念已在此基准图中得到了证实。

4.ZEMAX模拟衍射光学元件DOE小结：

本文提出了一种使用带有附加角度散射的几何射线跟踪对Zemax软件激光光源建模的方法，以沿整个光路获得真实的光束尺寸值。该方法特别适用于多模激光器的光学系统的设计。但对于单模激光，时间相干性，干涉和衍射效应很重要的情况，该方法具有局限性。

文章后半部分展示了一些基本示例，其中将该方法用于散焦分析，光纤耦合效率估计以及光斑尺寸和形状的仿真。在大多数情况下，具有较高像差的光学元件可以被高M2的多模激光器接受。这种衍射光学元件Zemax建模方法已经被成功用于激光焊接的匀化器、宽带散射片等多种DOE，如果你碰到Zemax衍射光学元件模拟的问题，欢迎与我们沟通。