宋 興

(西安市西安光機(jī)所,西安 710119)

1 自聚焦透鏡的特點(diǎn)

自聚焦透鏡（Grin Lens）又稱(chēng)為梯度變折射率透鏡，是指其折射率分布是沿徑向漸變的柱狀光學(xué)透鏡。具有聚焦和成像功能。自聚焦透鏡體積小，重量輕，具有準(zhǔn)直和聚焦作用，且耦合效率高。由雙透鏡組成的準(zhǔn)直聚焦耦合系統(tǒng)中可以有較大間隙以插入濾波片、衰減片等來(lái)構(gòu)成多種體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的無(wú)源器件，所以在光纖通信系統(tǒng)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。由于自聚焦透鏡內(nèi)部的折射率變化可以調(diào)節(jié)，當(dāng)它用于復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，可以減少系統(tǒng)中光學(xué)元件的數(shù)量，在某些場(chǎng)合可以代替非球面光學(xué)元件。此外這種光學(xué)元件的幾何形狀簡(jiǎn)單，容易進(jìn)行光學(xué)加工，且使用這種光學(xué)元件的系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

2 ZEMAX介紹

ZEMAX是美國(guó)Focus Software Inc所發(fā)展出的一套綜合性的光學(xué)設(shè)計(jì)仿真軟件，將實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念、優(yōu)化、分析、公差以及報(bào)表整合在一起。具有直觀、功能強(qiáng)大、靈活、快速、容易使用等優(yōu)點(diǎn)，還可仿真Sequential和Non-Sequential成像系統(tǒng)和非成像系統(tǒng)， 具有直觀、功能強(qiáng)大、靈活、快速、容易使用等優(yōu)點(diǎn)。自聚焦透鏡是由梯度折射率材質(zhì)構(gòu)成的，在ZEMAX的表面類(lèi)型中的Gradient即是梯度透鏡。在本文中也是采用梯度透鏡來(lái)模擬設(shè)計(jì)。

3 基于ZEMAX的自聚焦透鏡設(shè)計(jì)

自聚焦透鏡利用了梯度變折射率分布沿徑向逐漸減小的變化特征折射率變化由公式表述。其中表示自聚焦透鏡的中心折射率；表示自聚焦透鏡的直徑；表示自聚焦透鏡的折射率分布常數(shù)。

在梯度折射率透鏡設(shè)計(jì)中，我們首先選擇SLS-1.0作為鏡面模型。透過(guò)率是自聚焦透鏡的主要參數(shù)，在這里，我們?cè)赯AMAX的波長(zhǎng)設(shè)定中選擇0.85微米、1.31微米、1.55微米三種波長(zhǎng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。根據(jù)自聚焦透鏡透鏡尺寸為了使光線全部入射到透鏡中數(shù)值孔徑要略小于透鏡直徑。透鏡直徑為若2mm，物鏡數(shù)值孔徑設(shè)為1.6mm～1.8mm來(lái)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。在分析之前首先設(shè)置優(yōu)化功能（Merit Function）菜單工具（Tools)子菜單下設(shè)定值（Default）。的優(yōu)化目標(biāo)為彌散圓半徑（Dispersive Spot Radius）設(shè)置類(lèi)型為PTV。將彌散圓最大半徑設(shè)置為優(yōu)化目標(biāo)。參數(shù)設(shè)定完成，我們打開(kāi)分析（Analysis），設(shè)計(jì)（Layout），3D輸出（3D Layout）。可以直接生成仿真光路圖。

初步生成的仿真光路圖的焦點(diǎn)并不一定落在斷面上，因此我們要通過(guò)優(yōu)化曲率半徑（Radius）和厚度（Thickness）來(lái)設(shè)定，在以上述指標(biāo)的仿真設(shè)計(jì)中，當(dāng)曲率半徑為0，厚度為8.6mm，仿真光路圖的焦點(diǎn)落在斷面。自聚焦透鏡設(shè)計(jì)完成。

4 結(jié)語(yǔ)

自聚焦透鏡材料不僅能夠使沿徑向傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生折射，而且其沿徑向逐漸減小的折射率分布，能夠?qū)崿F(xiàn)出射光線被平滑且連續(xù)的匯聚到一點(diǎn)。因此被越來(lái)越多地應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)，尤其是在光纖通信領(lǐng)域中。本文運(yùn)用ZEMAX仿真設(shè)計(jì)軟件對(duì)自聚焦透鏡進(jìn)行設(shè)計(jì)和初步優(yōu)化，初步設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足要求的自聚焦透鏡元件，根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)一步將設(shè)計(jì)的透鏡進(jìn)行加工，有待繼續(xù)驗(yàn)證其實(shí)用性和適應(yīng)性。

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