FSO系统光学天线设计

设计基于伽利略望远镜结构的自由空间光通信发射天线，利用Zemax优化实现光束扩束功能。

1、 设计需满足规范

2、 光束扩束镜放大倍数为1.5倍，入射孔径5毫米，出射孔径25毫米。

3、 系统长度宜短，不超过250毫米，为便于装夹，镜头前后各预留5毫米空间。

4、 成像质量应尽量优异，扩束后波前差宜控制在1/5波长以内，理想情况低于1/10波长；同时成本需尽可能降低，优先选用现有镜头实现设计。

5、 评价函数应根据实际测试条件设定，例如扩束镜制造完成后将在干涉仪上检测，因此设计阶段宜采用光程差或干涉图作为评价依据。所用激光波长为0.6328微米（He-Ne激光器），需在该波长下进行模拟与优化，以确保设计结果与实测情况一致。

6、 选结构

7、 扩束镜主要分为开普勒式和伽利略式两种。由于伽利略式结构无聚焦点，整体长度更短，且能有效避免高能激光系统中因聚焦引发的问题，因此优先选用该类型。为降低制作成本，通常采用易于加工或采购方便的光学元件，如平凸透镜或胶合透镜。本例采用平凸透镜，并确保第一片透镜的前表面为曲面，以防止平面反射导致光束原路返回，从而避免对激光器造成损害。

8、 基本设置中，入瞳直径设为5毫米。由于所设计系统为无焦结构，必须勾选像空间为无焦选项，以确保系统参数计算准确，避免因模式错误导致仿真结果偏差。

9、 实际加工时镜片需大于通光孔径，故在其他设置中将半孔径调整为1。

10、 该系统沿轴向工作，视场默认设为0度即可满足需求。

11、 波长设定为0.6328微米。

12、 将两个镜头的四个面插入，装入材料并设定初始参数，确保系统前后均预留5毫米空间。

13、 在分析菜单中选择波前，查看波前差图，通过右键可切换不同的显示模式。

14、 调整曲率、镜片厚度与镜片间距作为变量。

15、 采用均方根与波前差作为评价函数，结合高斯球积分法，设定4环6臂采样方式，并对玻璃及空气层的厚度施加约束条件。

16、 系统总长限制为250毫米，扩束倍数为5倍，通过REAY操作数调控特定面指定位置的光线高度。

17、 开展优化工作，提升整体性能与效率。

18、 可实现峰谷值为0.0763个波长，符合设计需求。我们将第二片镜片同样设计为平凸结构，并进行再次优化，以进一步提升整体性能表现。

19、 在报告中选择表面数据，右键将表面设为2，可观察到第一片镜片的孔径为7毫米，有效焦距为-59.541毫米。

20、 进入工具菜单，选择目录中的镜头库，供应商设定为CVI；将有效焦距范围设为-65至-55毫米；入瞳直径需大于当前设计值以确保实际应用需求，因此设置为7.2至20毫米；同时勾选曲面、平面及单透镜选项；完成参数设定后点击搜索，系统将列出符合条件的光学元件，从中筛选出一款满足设计要求的合适透镜用于后续设计与优化。

21、 点击插入，选中表面（2-镜头1）加入系统，复制两镜片间距后删除原镜头1。

22、 成像质量虽下降，但依然符合系统标准。

23、 在表面数据中查找第二个透镜信息，并进行搜索与替换操作。

24、 再次优化后仍不满足要求，原因是插入的第二组镜头的反曲面位置错误。此时应进入工具菜单，选择杂项中的反转元件功能，依次选中第二个镜头的表面4和表面5，确认操作以完成位置调换，从而修正光学结构顺序，确保系统性能符合设计需求。

25、 调整有效焦距至300后再次优化，系统性能进一步提升，最终获得接近设计指标的光学结构。

26、 冯毅东著