[分享]用于产生矩形漫射分布（平顶）的衍射光学元件的优化 [复制链接]

本例设计用于产生矩形平顶光的衍射扩散器 O`CZwXD  
AO`@&e]o  
关键词：衍射光学，衍射光学元件，扩散器，平顶光 EPW4
h/I  
所需工具箱：Diffractive Optics Toolbox Basic 3~fi#{  
相关Tutorials：DO.1; DO.3; DO.8\ KK 7}q<&i  
@MibKj>o  
建模任务 =( ZOn=IL  
#8XmOJ"W3k  
{*bx8*y1  
274j7Y'  
a)W|gx6Y  
建模任务 8/p ]'BLf  
r3x;lICx-  
"tl{HM5u  
照射光束参数 ue3 ].:  
Ø        波长：632.8nm k-&<_ghT \  
Ø        激光束直径（1/e2）:700um A)~oD_ooQ  
(!@gm)#h  
建模任务 RCfeIHL  
sR$abN+u  
zW\a)~E  
要得到的输出场参数 M>=@Z*u/+  
^Ø          直径：1^。 d(}? \|  
Ø        分辨率：<=0.03 zU[o_[+7^  
Ø        效率：>70% ?IeBo8  
Ø        杂光：<20% QN;5+p
[N  
创建新的对话编辑器 x]YzVJ=Y  
O:I]v@  
/*gs]  
;^s|n)F#c  
Ø        Regular Shape Diffuse对话编辑器可以用于产生线形，圆形和矩形平顶光 hTO5*5]0zP  
z
dem}kBIe  
Ø        点击主菜单中Regular Shape Diffuser b`%u}^B {  
创建一个新的对话编辑器 'r=2f6G>cP  
]UIN4E  
>4bw4 Z1  
照射光束定义 B!<B7Q  
{ #B/4  
O6e$vI@  
A%EhRAy  
Ø        点击Next按钮开始照射光束的定义 DMA7eZf'Hv  
<gX({FA  
照射光束定义 kqX%y  
}x$@
j  
ga KZ4#  
Ø       >~7XBb08  
本页中可以修改照射光束的直径和发散角的定义 h('5x,G%  
Tn,_0  
Ø        选择1/e2光腰直径，发散全角 XRM/d5  
Ø        点击Next nQ'NS  
'%_K"r
b  
照射光束的定义 ('%Y3z;  
"Cvr("'O  
^Rl?)_)1HE  
}'{"P#e8"q  
Ø        在这个页面照射光束可以定义 zGme}z;1@  
Ø        VirtualLab总假定一个高斯光束 j+fF$6po#t  
Ø        输入波长632.8nm ^^k9Acd~p  
Ø        选择光腰输入700um*700um {c I~Nf?i  
Ø        点击Next 'rXf  
w&}<b%l  
光学系统装置的定义 \ eba9i^  
~U7Bo(EJp  
AD!w:jT
9  
D0 q42+5  
Ø        在本页面，可以选择基本的光学装置 ]n@T5*=  
Ø        这个对话编辑器支持1f/2f-装置，傍轴远场和角谱 }VWUcALJV  
Ø        对于1f/2f-装置或傍轴远场进一步的参数需要在后续的页面中定义 wYFkGih  
Ø        选择角谱装置并点击Next H#X*OJ  
{]|<|vc;GI  
a`9pHH:7Q  
定义所要得到的输出场 ~c+=$SL-=  
2_bEo  
@ZYJY  
D@5h$
m5  
Ø        该对话编辑器可以设计用于产生平顶光和线形的扩散器 9A{D<h}yk  
Ø        选择2D Top Hat zSMM?g^T  
Ø        选择Rectangular Shape <tO@dI$~>  
Ø        点击Next
2ER_?y  
rT-.'aQ2t  
`X()"Qw  
定义所要得到的输出场 j,%i.[8S  
2!9W:I7  
vG)B}`M  
[".94(qs  
Ø        指定Top Hat Diameter 1。*1。 7[L%j;)bw  
Ø        Top Hat Resolution设置为0.03*0.03 f;+.j/ +  
Ø        因为最大杂光小于20%，Limit intensity of Stray Light 要选中。Maximum Relative Stray Light Intensity设置为15% . lHliMBSc  
7c%dSs6  
Dbx zqd  
定义输出光场直径 `6YN/"unfp  
18kWnF]n=  
rHybP6C<  
gDw(_KC  
Ø        衍射扩散器一般不会衍射所有在想得到图样里的光线 j)nE!GKD(  
Ø        杂光将被衍射到更大的衍射角 4QPHT#eqX  
Ø        在目标平面上要有额外空间用于杂光 L*p7|rq$"  
Ø        目标平面上的输出场的总直径可以看到，在Manual Mode用户可自定义调整. .;U?%t_7  
a>6M{C@pd  
选择优化函数 TR `C|TV>  
+?QHSIQo  
~U]%>Zf  
6Y.k<oem  
Ø        在该页面下，可以选择优化函数 fI.X5c>WK  
Ø        可以不选优化函数记录（Logging）以便加速优化 /L]@k`.q@  
P $r!u%W  
g
<w1d{Td  
定义扩散器孔径 <h~uGBS"  
I;<__  
iHdX  
:a=]<_*x  
Ø        设置扩散器Aperture Shape为rectangular和Aperture Diameter为1.4*1.4mm. R
(}!gv}s  
Ø        孔径直径应该是大约是照射光束1/e2直径的2-3倍. D51O/.:U2  
Pc+,iK>
 
hsK(09:J
 
定义DOE的传输参数 8H3O6
ro  
@P=n{-pIW  
?H{?jJj$H  
0G'v4Vj0'  
Ø        VirtualLab将优化扩散器传输. ]N1,"W}  
Ø 第二步,计算高度分部.更多详细说明可以查看Tutorial DO.8. qr*e9Uk^  
k<o<!   
Ø        选择Phase-Only Transmission. Jcp=<z*0  
Ø        选中Transmission Contains Discrete Levels. ZxDh!_[s  
Ø        设置Number of Phase Level 为2. <BdC#t:*L  
定义DOE传输参数 Idj Z2)$  
27F:-C~.9  
idS+&:'  
g ZES}]N  
V Kc`mE  
sI4 FgO  
Ø        像素尺寸和扩散器传输周期可以自动计算 ;>]dwsA*P  
Ø        设置Pixel Size Increment为10nm和Minimum Pixel Size为1um。 20Rm|CNH?  
Ø        Pixel Size Increment指明步长，其中Pixel size可以被电脑改变用于扩散器的构造。 [2 Rz8e^  
h`tf!MD]  
Ø        Expert用户可以设置user defined pixel size. *@YQr]~ ;  
n*~#]%4  
参数总结 k6;pi=sYNW  
Kc3/*eu;  
|g\CS4$  
a=[|"J<M  
@d^MaXp_P  
Ø        本页面显示大部分重要的用户定义和自动计算得到的参数。Ø        最重要的是所要得到和实现的平顶直径和分布率。 L_=3`xE _  
&';@CeK  
Ø        由于指定pixel size increment 和minimum pixel size可能使想要得到的值无法精确实现。 CZCVC (/u  
接下来的设计步骤 2%pe.stQ  
$BOIa  
Hxj8cXUF|  
Ø        对话编辑器的最后一页面表明接下来设计扩散器的步骤。Ø        点击Finish按钮用于创建Optimization Document 用于优化扩散器 并创建Light Path Diagram用于模拟包含扩散器的完整光学系统。 ;tZ8Sh)  
扩散器优化 S~y.>X3"P  
8ePzUc\#  
NE@P8pQ>  
Ø        改变Optimization DocumentØ        设计页面可以指定每次优化步的迭代次数。Ø        点击Start Design按钮开始优化。Ø        SNR Optimization for Quantized Transmission 将自动停止，如果没有改善的话。所执行的可能不是指定的迭代次数。 扩散器优化 r"lh\C|  
"W"r0"4
 
Ø        扩散器优化所花的时间依赖于迭代次数和像素数。 :O*62olC5  
Ø        运行中的优化可以通过点击Stop按钮来停止。 ,^T0!k$  
Ø        优化的全过程在窗口中显示。 M !rw!,g  
Ø        当前优化步由灰色标志。 FJB /tg  
{5T:7*J  
Ø       当前步的过程显示在progress bar. 6 c-9[-Px  
&Qv%~dvW  
x=1Sbs w{  
扩散器优化 x=Ez hq]X  
2u}ns8wn  
e" p5hpl  
Ø        在优化结束后点击Show按钮以显示优化后的扩散器传输。 GS!1K(7  
Ø        Set按钮可以设置其它用户定义的传输。可以用于优化的开始点或者进一步分析。 []H0{a2{<  
3,@|kN<  
优化后的传输 DJH,#re>  
}An;)!>(nF  
h)?Km{u%  
Ø        优化后的传输的典型相位 l @r`NFWD@  
9
Cw !<  
Ø        由于衍射扩散器的优化由随机相位开始。不同的优化它们的传输相位结果也是不同的。 p,2H8I){  
[i]%PVGW  
扩散器系统分析 ze#ncnMo  
&_Gu'A({J  

I8:G:s:  
mP ^*nB@,  
优化结束后转到Analysis页面以计算优化函数 Eqt>_n8  
2ZQ|nwb7  
d%ncI0f`  
扩散器系统分析 `b[@GGv  
bg,VK1  
<V4"+5cJ8  
Ø        选择想要得到的优化函数用于评估输出光场
hhr>nuA  
Ø        反选Show Output Field。将用Light Path Diagram模拟输出光场。 nZkMyRk  
Ø        点击Recalculate按钮评估优化函数值。 $b"Ex>  
2}#VB;B  
/C[XC7^4'  
扩散器系统分析 4' <y  
a~`,zQ -@  
(7}Zh|@W  
5ZHO+@HiFH  
@XX7ydG5  
Ø        优化函数的值将显示在marked table中Ø        由于优化开始时随机的传输相位，不同优化对应的优化函数值是不同的。 a(+u"Kr z  
Ø        优化要重复几次，最优的优化函数值的传输将被保留 !Ka~X!+\  
光路径 KKJa?e`C  
VN<baK%]  
78u=Jz6  
模拟结果 3_c4+u"6  
结论 Ø        VirtualLab辅助用户设计用于产生线分布或平顶光分布的衍射光学元件Ø        辅助设计的步骤能够使在衍射光学中缺少经验的光学工程师从当前的发展中受益QQ：2987619807