[發明專利]一種基于ZEMAX仿真的激光追蹤測量光學系統能量分析方法

有效

• 申請號: 201810138009.7
• 申請日: 2018-02-10
• 公開（公告）號: CN108286939B
• 公開（公告）日: 2020-04-03
• 發明（設計）人: 陳洪芳;湯亮;石照耀;孫衍強;宋輝旭
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G06F30/20
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

1.基于ZEMAX仿真的激光追蹤測量光學系統能量分析方法，實現該分析方法的光學系統包括激光器即LA，檢偏器即P₁，偏振分光鏡1即PBS₁，偏振分光鏡2即PBS₂，偏振分光鏡3即PBS₃，分光鏡1即BS₁，分光鏡2即BS₂，貓眼反射鏡，標準球，四分之一波片1即QW₁，四分之一波片2即QW₂，四分之一波片3即QW₃，二分之一波片即HW，光電接收器1即PD₁，光電接收器2即PD₂，光電接收器3即PD₃和光電接收器4即PD₄；根據激光追蹤測量原理，由LA發射的激光束經過P₁后得到線偏光，經過PBS₁后，p光透過，s光反射，在PBS₁處反射的s光作為測量光束，經過QW₂后轉換成圓偏振光，經過標準球反射后改變旋向，再次經過QW₂后轉換成p光透過PBS₁后，經過QW₃轉換成圓偏振光，經過BS₂后，透射的光經過貓眼反射鏡后被反射，圓偏振光改變旋向，再次經過BS₂，一部分光經BS₂透射后再次經過QW₃圓偏振光轉換成s光，經過PBS₁被反射，經過QW₁后轉換成圓偏振光，經過BS₁分光后，一部分光透射，一部分光反射，經BS₁透射的光經過HW后經過PBS₃后p光透射，形成測量光束O_l1，經過PBS₃后S光反射，形成測量光束O_l2，而在BS₁處反射的光束，經過PBS₂后s光反射，形成測量光束O_l3，經過PBS₂后p光透射，形成測量光束O_l4；透過的p光作為參考光束，經過QW₁后轉換成圓偏振光，再經過BS₁分光，經BS₁透射的光經過HW后，再經過PBS₃后透射的p光形成參考光束O_r1，與測量光束O_l1形成干涉光由PD₁接收，反射的s光形成參考光束O_r2，與測量光束O_l2形成干涉光由PD₂接收，而經BS₁反射的光束，經過PBS₂后反射的s形成參考光束O_r3，與測量光束O_l3形成干涉光由PD₃接收，透射的p光形成參考光束O_r4，與測量光束O_l4形成干涉光由PD₄接收；經PD₁，PD₂，PD₃和PD₄光電處理后得到四路相位依次相差90°的干涉信號， 其特征在于：根據激光追蹤測量的光學系統原理，在ZEMAX中進行仿真；

該方法的具體實施流程如下：

步驟一：設定激光追蹤測量的光學系統參數，即波長、通光口徑；

步驟二：利用瓊斯矩陣對檢偏器P₁進行模擬仿真；設檢偏器入射光的偏振狀態表示為：

其中：A₁，B₁表示入射光矢量在坐標軸的x軸和y軸上相應的兩個分量；

通過檢偏器P₁的透射光表示為：

其中：A₂，B₂表示出射光矢量在坐標軸的x軸和y軸上相應的兩個分量；

檢偏器P₁的入射光和透射光之間有關系用矩陣表示如下：

其中：g₁₁，g₁₂，g₂₁，g₂₂是常系數；

設μ為檢偏器P₁透光軸與坐標軸的x軸成的角度，則檢偏器P₁的瓊斯矩陣如下所示：

在ZEMAX中的透鏡數據編輯欄內輸入參數：檢偏器P₁的表面類型、厚度；根據瓊斯矩陣，檢偏器P₁透光軸與坐標軸的x軸成的角度μ，建立瓊斯面型，輸入相應參數；

步驟三：在ZEMZX的非順序和順序光線跟蹤模式進行建模，實現PBS₁的仿真；在ZEMAX中的數據編輯欄內輸入參數：PBS₁的曲率半徑，厚度，玻璃材料；設置幾何形狀，在非順序模式下，完成幾何形狀的模型構建；在分界面處設置涂層，在ZEMAX中模擬涂層表面，包括金屬和多層電介質涂層；通過鍍膜的方式實現p光與s光的分開，實現偏振分光鏡的功能；在順序模式利用ZEMAX中的多重結構配置，模擬透射和反射的路徑，完成PBS₁的仿真建模；

步驟四：利用瓊斯矩陣對四分之一波片進行模擬仿真；根據步驟二推導出波片的瓊斯矩陣如下式所示：

其中，θ表示波片的快軸與坐標系的x軸成的角度，δ表示經過波片所產生的相位差；

在ZEMAX中的透鏡數據編輯欄內輸入參數：QW₂的曲率半徑，厚度，玻璃材料；根據瓊斯矩陣，四分之一波片QW₂透光軸與坐標軸的x軸成的角度θ，經過波片所產生的相位差δ，建立瓊斯面型，輸入相應參數；

步驟五：設計標準球的仿真模型，根據標準球的作用，作為平面反射鏡折轉光路；在ZEMAX中的透鏡數據編輯欄內輸入參數：平面鏡的曲率半徑，厚度，玻璃材料；

步驟六：利用瓊斯矩陣對四分之一波片QW₃進行模擬仿真；對四分之一波片QW₃進行模擬仿真同步驟四；

步驟七：在ZEMZX的非順序和順序光線跟蹤模式進行建模，實現分光鏡BS₂的建模仿真；對于BS₂，BS₂的仿真方法和PBS₁的仿真方法相同，在ZEMAX中的數據編輯欄內輸入參數：BS₂的曲率半徑，厚度，玻璃材料；設置幾何形狀，在非順序模式下，完成幾何形狀的模型構建；在分界面處設置涂層，在ZEMAX中模擬涂層表面，包括金屬和多層電介質涂層，通過鍍膜的方式實現兩束光的分開；實現分光鏡的功能；在順序模式利用ZEMAX中的多重結構配置，模擬透射和反射的路徑，完成BS₂的仿真建模；

步驟八：設計貓眼反射鏡的仿真模型，根據貓眼反射鏡的作用，作為平面反射鏡折轉光路；在ZEMAX中的透鏡數據編輯欄內輸入參數：平面鏡的曲率半徑，厚度，玻璃材料；

步驟九：利用瓊斯矩陣對四分之一波片QW₁進行模擬仿真；對四分之一波片QW₁進行模擬仿真同步驟四；

步驟十：在ZEMZX的非順序和順序光線跟蹤模式進行建模，實現分光鏡BS₁的建模仿真；分光鏡BS₁的建模仿真方法同步驟七；

步驟十一：利用瓊斯矩陣對二分之一波片進行模擬仿真；根據步驟二推導出波片的瓊斯矩陣如下式所示：

其中，θ表示波片的快軸與坐標系的x軸成的角度，δ表示經過波片產生的相位差；

在ZEMAX中的透鏡數據編輯欄內輸入參數：HW的曲率半徑，厚度，玻璃材料；根據瓊斯矩陣，二分之一波片HW透光軸與坐標軸的x軸成的角度θ，經過波片所產生的相位差δ，建立瓊斯面型，輸入相應參數；

步驟十二：在ZEMZX的非順序和順序光線跟蹤模式進行建模，實現PBS₂的仿真；對于PBS₂的仿真同步驟三；

步驟十三：在ZEMZX的非順序和順序光線跟蹤模式進行建模，實現PBS₃的仿真；對于PBS₃的仿真同步驟三。

2.根據權利要求1所述的基于ZEMAX仿真的激光追蹤測量光學系統能量分析方法，其特征在于：根據激光追蹤測量的光學系統原理，分別對整個系統中所需要的每個光學元件進行仿真，再進行順序調整，多重結構參數的設置，以及各個光學元件之間的結構設計，得到最后的仿真結構圖。