Surf: Type Dạng bề mặt thấu kính (tiêu chuẩn, phi cầu, cách tử nhiễu xạ…).
Comment Ghi chú.
Radius Bán kính cong đo theo đơn vị thấu kính.
Thickness Bề dày thấu kính đo từ đỉnh.
Glass Vật liệu (thủy tinh quang học, khơng khí,…)
Semi-diameter Nửa bán kính
Mỗi hàng trong bảng thể hiện cho một bề mặt bắt đầu từ vật (object-OBJ) và kết thúc là ảnh (image-IMA); giữa vật và ảnh cịn có vịng chắn sáng (aperture stop-STO).
3.2.2 Thiết kế hệ Green Laser Pointer
Ta cần nhập dữ liệu từng bộ phận của hệ Green Laser Pointer. Sau đó Zemax sẽ dựa vào dữ liệu này kết xuất hình ảnh cấu tạo hệ và các biểu đồ thể hiện tính chất chùm ánh sáng đầu ra.
Dữ liệu từng bộ phận được nhập vào lần lượt là nguồn diode laser 808 nm, thấu kính hội tụ, tinh thể Nd: YAG, tinh thể KTP, thấu kính phân kỳ, thấu kính chuẩn trực và bộ lọc IR.
3.2.2.1. Nguồn diode laser 808 nm
Dữ liệu diode laser 808nm được nhập vào phần mềm thể hiện trong hình 3.4 và bảng 3.2.
37
Bảng 3.2. Bảng dữ liệu nguồn diode laser 808nm.
Surf: Type Comment Radius Thickness Glass Semi-
Diameter Conic Par 0 (unused) Part 1 (unused) Part 2 (unused)
OBJ Standard Infinity 0.536200 0.000000 0.000000
STO Paraxial XY
0.163800 0.094744 7.971000
2 Standard Infinity 0.300000 1.580059E- 005
0.000000
3 Standard Infinity 0.300000 0.173569 0.000000
Hình 3.4. Bảng nhập dữ liệu nguồn diode laser.
Sau khi nhập dữ liệu nguồn diode laser vào bảng. Ta thiết lập bước sóng 808 nm của diode laser ở mục Wavelength (tab Wav).
38
Xem hình ảnh mơ phỏng nguồn diode laser 808nm ở tab Layout 3D.
Hình 3.6. Nguồn diode laser 808nm được mơ phỏng.
3.2.2.2. Thấu kính hội tụ (Pump focusing lens)
Thấu kính hội tụ có tác dụng tập trung nguồn sáng từ diode laser để hội tụ đi qua tinh thể Nd: YAG và tinh thể KTP.
Ta tiếp tục nhập dữ liệu thấu kính hội tụ. Dữ liệu này được thể hiện trong bảng 3.3.
Bảng 3.3: Dữ liệu thấu kính hội tụ.
Surf: Type Comment Radius Thickness Glass Semi-
Diameter
Conic Par 0
(unused)
4 Standard Pump focusing lens 13.001200 25.003240 SK16 13.000000 0.000000
5 Standard -13.001200 47.412355 13.000000 0.000000
39
3.2.2.3 Tinh thể Nd: YAG và tinh thể KTP
Chùm sáng hội tụ đi qua tinh thể Nd: YAG và tinh thể KTP để biến đổi bước sóng 808 nm thành bước sóng 532 nm (màu xanh lục).
Bảng 3.4: Dữ liệu tinh thể Nd: YAG và tinh thể KTP.
Surf: Type Comment Radius Thickness Glass Semi-
Diameter
Conic Par 0
(unused)
6 Standard Nd: YAG Infinity 1.534780 SK16 4.679560 0.000000
7 Standard KTP Infinity 12.865800 SK16 4.679560 0.000000
8 Standard Infinity 7.674300 2.679560 0.000000
Do bề mặt tinh thể Nd: YAG và tinh thể KTP là bề mặt phẳng nên bán kính cong (radius) bằng vô cùng (infinity).
Tinh thể Nd: YAG và tinh thể KTP nằm liền kề nhau nên không nhập dữ liệu khoảng cách. Nếu vẫn để trống dịng khoảng cách giữa mặt 6 và 7 thì ánh sáng sẽ khơng đi qua được.
40
3.2.2.4 Thấu kính phân kì
Thấu kính phân kỳ mở rộng chùm sáng đi ra từ tinh thể KTP.
Bảng 3.5: Dữ liệu thấu kính phân kỳ.
Surf: Type Comment Radius Thickness Glass Semi-
Diameter
Conic Par 0
(unused)
9 Standard Expanding lens -22.213227 2.994750 SK16 9.000000 0.000000
10 Standard 22.213227 70.002700 9.000000 0.000000
Hình 3.9. Bảng dữ liệu diode laser, thấu kính hội tụ, tinh thể Nd: YAG, tinh thể KTP và thấu kính phân kì.
3.2.2.5 Thấu kính chuẩn trực (collimating lens)
41
Bảng 3.6: Dữ liệu thấu kính chuẩn trực.
Surf: Type Comment Radius Thickness Glass Semi-
Diameter
Conic Par 0
(unused)
11 Standard Collimating lens Infinity 15.700000 N-BK7 32.500000 0.000000
12 Standard -51.010000 3.579140 32.500000 0.000000
Hình 3.10. Bảng dữ liệu diode laser, thấu kính hội tụ, tinh thể Nd: YAG, tinh thể KTP, thấu kính phân kì và thấu kính chuẩn trực.
3.2.2.6 Bộ lọc IR (IR filter)
Bộ lọc IR có tác dụng khắc phục các nhược điểm về nhiễu, bị quầng sáng.... Đây cũng là bộ phận cuối cùng trong hệ Green Laser Pointer.
42
Bảng 3.7: Dữ liệu bộ lọc IR.
Surf: Type Comment Radius Thickness Glass Semi-
Diameter
Conic Par 0
(unused)
13 Standard IR Filter Infinity 2.258956 SK16 37.500000 0.000000
14 Standard Infinity 10.007300 37.500000 0.000000
Bộ lọc IR có tính chất như một thấu kính phẳng nên dữ liệu bán kính cong (radius) bằng vô cùng (infinity).
43
Chương 4
KẾT QUẢ VÀ TỐI ƯU HĨA 4.1 Hình ảnh mơ phỏng hệ Green Laser Pointer
Bảng 4.1: Dữ liệu mơ phỏng hồn chỉnh hệ Green Laser Pointer.
Surf: Type Comment Radius Thickness Glass Semi-
Diameter
Conic Par 0
(unused)
Part 2 (unused)
OBJ Standard Infinity 0.536200 0.000000 0.0000
STO Paraxial XY
0.163800 0.094744 7.971000
2 Standard Infinity 0.300000 1.580059E-
005 0.0000 3 Standard Infinity 0.300000 0.173569 0.0000 4 Standard Pump focusing lens 13.001200 25.003240 SK16 13.000000 0.0000 5 Standard - 13.001200 47.412355 13.000000 0.0000
6 Standard Nd: YAG Infinity 1.534780 SK16 4.679560 0.0000
7 Standard KTP Infinity 12.865800 SK16 4.679560 0.0000 8 Standard Infinity 7.674300 2.679560 0.0000 9 Standard Expanding lens - 22.213227 2.994750 SK16 9.000000 0.0000 10 Standard 22.213227 70.002700 9.000000 0.0000 11 Standard Collimating lens Infinity 15.700000 N- BK7 32.500000 0.0000 12 Standard - 51.010000 3.579140 32.500000 0.0000
13 Standard IR Filter Infinity 2.258956 SK16 37.500000 0.000000
14 Standard Infinity 10.007300 37.500000 0.000000
44
Dòng dữ liệu IMA (image-ảnh) do Zemax tự tính tốn.
Từ bảng dữ liệu đã nhập vào, Zemax tự động mơ phỏng hình ảnh hệ Green Laser Pointer. Chọn mục Layout 3D để xem hình ảnh mơ phỏng. Do hệ có chứa nguồn diode laser là một thành phần tương đối phức tạp nên Zemax chỉ cho phép xem hình ảnh mơ phỏng dưới dạng 3D, không thể xem ở dạng 2D.
Hình 4.1. Hình ảnh mơ phỏng 3D của hệ Green Lasser Pointer.
Để xem hệ dưới nhiều góc độ khác nhau, ta vào Settings và điền vị trí tọa độ X, Y, Z (Rotation X, Rotation Y, Rotation Z).
Cịn có thể điều chỉnh số lượng tia sáng trong mục Settings → Number of Rays. Dưới đây là hình ảnh hệ quang ở nhiều tọa độ và số lượng tia sáng khác nhau.
45
Hình 4.2. Hình ảnh hệ Green Laser Pointer ở tọa độ x=10, y=30, z=90 và số tia sáng là 10.
Hình 4.3. Hình ảnh hệ Green Laser Pointer ở tọa độ x=30, y=30, z=30 và số tia sáng là 5.
46
4.2 Tối ưu hóa hệ quang
Mặt phẳng ảnh IMA (image) do Zemax tự động tính tốn dựa theo dữ liệu ta nhập vào nên đôi khi hê ̣ quang của chúng ta chưa tối ưu.
Để chính mă ̣t phẳng ảnh ta ̣i vi ̣ trí gần tiêu cự nhất có hai cách: sử dụng chức năng Quick Focus hoặc Defauld Merit Function.
Trong q trình mơ phỏng, phương pháp Defauld Merit Function mang lại kết quả hệ quang không như mong muốn nên sẽ không đề cập.
Dù ng chức năng "Quick Focus" trong menu Tools → Miscelleneous → Quick Focus (Shift+Ctrl+Q):
Hình 4.4. Hộp thoại Quick Focus.
Sau khi thiết lâ ̣p như hình 4.4, chọn "OK".
47
Hình 4.5 Bảng dữ liệu sau khi tối ưu hóa bằng chức năng Quick Focus.
Hình 4.6. Hình ảnh hệ Green Laser Pointer sau khi tối ưu hóa bằng chức năng Quick Focus.
48
Tối ưu hóa hệ quang hỗ trợ tính tốn khoảng cách giữa hệ và mặt phẳng ảnh. Khoảng cách mặt phẳng ảnh (IMA) giảm xuống 27.73. Và các thơng số Spot Diagram có sự thay đổi nhẹ.
Bảng 4.2: So sánh khi chưa tối ưu hóa và đã tối ưu hóa.
Chưa tối ưu hóa Đã tối ưu hóa
Field 1 1
RMS Radius 9519,92 9545,34
GEO Radius 2,9E+4004 2,8E+004
Scale Bar 1E+005 1E+005
4.3 Phân tích một số biểu đồ trong Zemax 4.3.1 Biểu đồ Spot Diagram 4.3.1 Biểu đồ Spot Diagram
Biểu đồ Spot Diagram cung cấp hình vẽ ảnh của một điểm sáng, mỗi hình tương ứng với một trường (trường là góc cài đặt trong Field). Do ở hệ Green Laser Pointer ta chỉ có một nguồn sáng xuất phát từ diode nên mục Spot Diagram chỉ có một biểu đồ tương ứng với một trường của ánh sáng đầu ra.
49
Hình 4.8. Ánh sáng của Green Laser Pointer trong thực tế.
Ta có thể thấy ánh sáng từ Green Laser Pointer là chùm ánh sáng hội tụ mạnh ở tâm và có quầng sáng mờ xung quanh. Ở biểu đồ Spot Diagram ta có thể thấy sự tương đồng. Dấu cộng màu xanh dương tập trung nhiều ở tâm thành một vùng và có số ít dấu cộng cịn lại bao quanh.
4.3.2 Biểu đồ Ray Fan
Ray Fan đánh dấu tia quang học như là một hàm số của ánh xạ. Trong hệ quang học hoàn chỉnh, (tia) quang sai nên là 0 từ bên này sang bên kia.
Biểu đồ Ray Fan cho biết hiệu ứng của tia theo phương ngang.
50
4.3.3 Biểu đồ OPD (Optical Path Difference)
Biểu đồ OPD có thể được mở bằng cách vào Analysis→ Image Quality→ Aberrations→ Optical Path hoặc chọn tab OPD.
Đây là quang sai mặt sóng khi qua hệ quang, mặt sóng sẽ khơng cịn là mặt cầu nữa.
Hình 4.10. Biểu đồ OPD.
4.4 Hình ảnh đồ họa của hệ Green Laser Pointer
Phần mềm Zemax có hỗ trợ hình ảnh đồ họa cho hệ quang mà ta thiết kế. Để thực hiện chức năng này, thao tác Analysis→ Layout→ Shaped Model.
51
Hình 4.11 (a). Hình ảnh đồ họa của hệ Green Laser Pointer.
Hình 4.11 (b). Hình ảnh đồ họa của hệ Green Laser Pointer.
Hình ảnh đồ họa mà Zemax cung cấp giúp ta có thể dễ dàng xem xét hệ quang ở mọi góc nhìn.
52
KẾT LUẬN
Về lý thuyết, đã trình bày cụ thể về phần mềm Zemax, một số công cụ cơ bản và cần thiết khi thiết kế một hệ quang học bằng phần mềm; giới thiệu về hệ sẽ mô phỏng minh họa – hệ Green Laser Pointer, giới thiệu cấu tạo cơ bản của hệ, một số thành phần và tính chất đặc biệt của hệ như tinh thể Nd: YAG, tinh thể KTP, hệ phát sóng hài bậc hai,…
Về thực nghiệm, sử dụng phần mềm Zemax để mô phỏng hệ quang học của Green Laser Pointer– một hệ quang có cấu tạo khơng q phức tạp và phổ biến trong thực tế. Ưu điểm khi mô phỏng bằng phần mềm Zemax là khả năng dễ dàng điều chỉnh dữ liệu đầu vào, hình ảnh mơ phỏng rõ ràng, hỗ trợ khả năng tối ưu hóa tốt, cung cấp các biểu đồ dữ liệu của ánh sáng đầu ra. Việc mô phỏng hệ Green Laser Pointer ngồi giúp có cái nhìn rõ ràng hơn về cấu tạo quang học của Green Laser Pointer, đường đi của tia sáng trong hệ còn giúp tiếp cận phần mềm Zemax một cách trực quan dễ hiểu hơn. Qua đó mong muốn giới thiệu phần mềm Zemax phổ biến hơn và hỗ trợ phần nào những người có nhu cầu sử dụng phần mềm.
Có thể áp du ̣ng phần mềm Zemax trên với các hệ quang khác – từ đơn giản như các thấu kính đơn đến phức tạp hơn như hỗ trợ thiết kế ống kính máy ảnh hay các dụng cụ quang học đặc biệt. Với Zemax, chúng ta có thể tìm được các thơng số tối ưu để chế tạo hệ quang học trong thực tế.
53
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1]. Lê Vũ Tuấn Hùng, Lê Thị Quỳnh Anh, Phan Trung Vĩnh, Hồng Lương Cường, Huỳnh Chí Cường, Đào Anh Tuấn, Nguyễn Thanh Lâm, Nguyễn Hữu Kế, Thực
tập chuyên đề: Bộ môn vật lý ứng dụng, Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học
Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.
[2]. Bùi Thị Cẩm Tú (2014), Nghiên cứu tính chất quang phi tuyến bậc III trong
Oil red O – Safranin O và ứng dụng phát dấu vân tay ẩn, Luận văn Thạc sĩ Vật
lý, trường Đại học Khoa học tự nhiên Tp. Hồ Chí Minh.
Tiếng Anh
[3]. Zemax Software (2008), ODZ-Getting Started with Zemax.
[4]. Robert W. Boyd (2007), Nonlinear Optics, third edition, Academic Press. [5]. Breck Hitz, J. J. Ewing, Jeff Hecht, Introduction to laser technology, third
edition.
[6]. Prof. Shaoul Ezekiel, Demonstration in lasers and optics, MIT.
[7]. J.A. Armstrong, N. Bloembergen, J. Ducuing, and P.S. Pershan (1962), “Interactions between light waves in a nonlinear dielectric”, Phys. Rev. 127, p. 1918.
[8]. M. Bass, P.A. Franken, J.F. Ward, and G. Weinreich (1962), “Optical rectification”, Phys. Rev. Lett. 9, p. 446.
[9]. M. Bass, P.A. Franken, A.E. Hill, C.W. Peters, and G. Weinreich (1962), “Optical mixing”, Phys. Rev. Lett. 8, p. 18.
[10]. P.D. Maker, R.W. Terhune, and C.M. Savage (1962), “Optical harmonic generation in calcite”, Phys. Rev. Lett. 8, p. 404.
54
[11]. J.A. Giordmaine and R.C. Miller (1965), “Tunable coherent parametric oscillation in LiNbO 3, Phys. Rev. Lett. 14, p. 973.
[12]. P.A. Franken, A.E. Hill, C.W. Peters, and G. Wein- reich (1961), Generation