Zemax光学设计实例（181）---一个White型气体吸收池的设计参考

引言：

1942年，美国Esso实验室的John U. White利用三块具有相同曲率半径的球面镜首次设计了一款光学气体吸收池，称为White池，具体结构如下图所示。

上图中物镜A和A'并排放在气体吸收池的一端，A和A'的曲率中心落在场镜B上，B的曲率中心则位于A和A'的中间，通过微调A和A'曲率中心的间距可改变光线在气体吸收池内的反射次数，从而实现不同的吸收光程。

如果光束在场镜 B上形成的光斑数为n，则光束在White型光学多通池中反射次数 N为：

因此，White 池内吸收气体总光程L为：

其中，d为White池的腔镜距离。

设计仿真：

在ZEMAX非序列模式下仿真传统的White气体吸收池。

先设置光源参数，本例中使用的是分布式半导体激光器（DFB Laser），光源类型选用Source Gaussian，设置如下：

其中，光斑直径为2.5mm，功率为15mW（0.015Watts）。

在光源后设置第一个探测器（DetectorRectangle），用来探测光源的光斑以及功率，设置如下：

现在设置三个反射镜的参数，如下图：

这三个反射镜有相同的曲率半径，但尺寸不一样。

然后，分别在大反射镜前和出射位置设置第二个探测器（Detector Rectangle）和第三个探测器（Detector Rectangle）。分别用来探测在大反射镜和出射位置的光斑，设置如下：

现在查看NSC Layout，如下图：

如上图所示，在这个White池中，光斑反射了8次，那么大反射镜上的光斑个数是3个，那查看大反射镜前探测器的光斑，如下图：

再分别查看下入射和出射时的光斑，如下图：

从上面两个光斑图可以看出，光斑大小没有明显变化。由于三个反射镜默认设置为100%反射，入射光与出射光的功率基本没有发生变化。

此时，这个White 池总光程L为2.24m。

在不改变这个White池的三个反射镜的曲率半径，通过对称调节两个小反射镜的角度，实现在White池内反射12次，设置如下：

查看大反射镜前探测器的光斑，如下图：

此时，这个White 池总光程L为3.36m。由于大反射镜的尺寸变大，会导致整个White池的体积变得很大。

为了减小White池的体积，如果小反射镜的曲率中心和入射光不在同一条竖直线上时，原本在大反射镜上成一排的光斑，变成两排分布。

NSCEditor设置如下：

查看NSC Layout：

查看大反射镜上的光斑，如下图：

此时，大反射镜上有15个光斑，反射了32次，White池的总光程为8.96m。