SYNOPSYS 光学设计软件课程十二：非球面激光光束整形器

nw)yK%`;M
(,i&pgVZ
在第11课中，我们设计了一个激光束整形器，以平整化小型HeNe激光器的高斯光束轮廓。为了降低制造成本，我们尝试用球面的设计来达到这个目标，因为它比非球面更容易制造。使用一个六片透镜设计，这似乎符合我们的规格。也许这种设计可以进一步改进，但我们也必须要考虑六片球面镜是否比两片非球面镜更便宜。如果不是，那么非球面设计看起来更具吸引力。 3BSJ|o<"=
让我们使用和第11课中相同的双透镜结构开始，进行修改，以便我们只将光通量平坦化为1 / e ** 2点。得到两倍的孔径似乎是不切实际的，需要需要再次优化。下面是初始结构文件：

`Dn"<-9:
RLE +O2z&a;q
ID LASER BEAM SHAPER     ! Beginning of lens input file |3h-F5V)
WA1 .6328               ! Single wavelength M?3Nh;
UNI MM               ! Lens is in millimeters nWyn}+C-
OBG .35 1               ! Gaussian object; waist radius -.35 mm; define full aperture at the 1/e**2 point. b!pG&7P
1 TH 22                ! Surface 2 is 22 mm from the waist . (B0tgg^jj,
2 RD -5 TH 2 GTB S jMH=lQ+8
SF6     ! Guess some reasonable lens parameters; use glass type SF6 from Schott catalog k9'`<82Y
3 UMC 0.3 YMT 5          ! Solve for the curvature of surface 3 so the marginal ray has an angle of 0.3; find {cYS0%Go
!spacing so ray height is 5 mm on next surface #y?iUv
RD 20 TH 4 PIN 2          ! Guesses for surface 4 npJyVh47
8ph*S&H
UMC 0 TH 50           ! Solve for curvature of 5 so beam is collimated. hm&cRehU
7                    ! Surfaces 6 and 7 exist X=W.{?
]:6M!+?(
AFOCAL                       ! because they are required for AFOCAL output. 5 wT e?
END                    ! End of lens input file.

优化命令如下

:'F7^N3;H
    CHG 7a<-}>sU
    NOP                  ! Be sure there are no pickups or solves. 确保没有拾取或解决方案。 5V{> 82
    4 PIN 2 Pf4b/w/
    5 TH 10 UMC 0         ! move surface 6 before the caustic在焦散前移动表面6 v Mi&0$
    END 8vuA`T!~G
qkg`4'rLg
    PANT                   ! Start of variable parameter definition. 开始定义变量参数 "E6*.EtTN#
    VLIST RAD 2 3 4 5   ! Vary four radii. 四个半径变化 &rj)Oh2
    VLIST TH 3          ! Vary the central airspace. 改变中心的空气间隔。 y\M Kd[G7
    VY 3 CC              ! Vary the conic constant on surface 3. 改变表面3上的圆锥常数 +W8L^Wl
    VY 4 CC              ! And on surface 4. 改变表面4上的圆锥常数 #7Pnw.s3zz
    VY 3 G 3            ! Add three aspheric terms to surface3. 向表面3添加三个非球面项 -VO&#Mt5u
    VY 3 G 6 &azy1.i~
    VY 3 G 10 Z<Pf[C
    VY 4 G 3             ! And three to surface 4. 表面4也添加3个球面顶 )Gu:eYp+`
    VY 4 G 6 E;m-^dxc
    VY 4 G 10 ?KKu1~a_
    END O\"k[V?.V
s_p\ bl.
    AANT                   ! Start of merit function definition. 开始评价函数定义 (sfy14>\
    AEC                   ! Enable automatic edge feathering control. 启用控制边缘厚度 S]O0zv^}
    ACC                   ! Enable automatic center thickness monitoring启控制中心厚度 'Pm.b}p<
    ASC                   ! Enable automatic slope control, so curves don’t get too steep. 启用自动坡度控制，因此曲线不会太陡峭 Ei Yj`P
    LUL 100 1 1 A TOTL  ! Limit the paraxial total length to no more than 150 mm. 限制近轴总长度不超过150毫米。 9 :ubPqt
    M 5 100 A P YA 0 0 1 0 LB1 8vK$]e36
    M 5 100 A P YA 0 0 1 0 LB2 ! Assign a target of 5 mm to the marginal ray on surfaces 5, 6. 为表面5,6上的边缘射线分配5 mm的目标。 $$tFP"pZ
T"tR*2HwSd
    M 0 1 A P FLUX 0 0 1 0 LB1 ! Target the flux difference between the marginal ray point and the on!axis point to 0 on surface 6. 瞄准边缘射线点和on之间的通量差!在表面上轴线指向0。 EJz?GM
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .99 0 LB1     ! Target the flux at the 0.99 aperture point. 将光通量定位在0.99孔径点。 z :q9~
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .98 0 LB1     ! And so on, for a set of zones. 等等，对于一组区域进行设置。 +'@j~\>^yJ
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .97 0 LB1 k-zkb2
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .96 0 LB1 ]'[(MH"
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .95 0 LB1 \?VNr2
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .94 0 LB1 `> :^c
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .93 0 LB1 sb3k? q
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .92 0 LB1 {wNNp't7
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .91 0 LB1 "3r7/>xy
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .9 0 LB1 a#k=! W
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .89 0 LB1 1e'Ez4*
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .88 0 LB1 v"K #
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .86 0 LB1 E;vF :?|
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .84 0 LB1 ~:ldGfb|
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .82 0 LB1 e0nr dM[i
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .8 0 LB1 ; { MK
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .7 0 LB1 EW:tb-%`
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .5 0 LB1 + bU*"5"
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .3 0 LB1 yG ,oSp|
    GSO 0 .01 10 P          ! Target the OPD of an SFAN of 10 rays to zero, with a weight of .01将10条光线的SFAN的OPD定为零，权重为.01 K4[XP]\jr
    GSR 0 50 10 P           ! And also target the ray angles to zero. 并且还将光线角度定为零。 %^?yI
    END !gKz=-C
el"XD"*
    SNAP [l7 G9T}/[
    SYNO 50

虽然这很简单，但应该指出：为什么GSR用于瞄准光线角度？通常，GSR控制每条光线相对于主光线的实际X坐标 - 但由于此系统处于AFOCAL模式，输出是准直的，因此该案例将以输出角度为目标。
如何指定光线和光通量目标应在表面6？这个系统共有七个表面，计算AFOCAL角度转换所需的两个虚拟面。助记符“LB1”表示“最后但只有一个”，并且在处理输入时它被表面6替换。
此处，选择两个表面上圆锥系数和三个非球面系数为变量。还有更高的系数，这种形式的非球面有22个系数可用，但只有系数G3，G6，G10，G16，G18，G19，G20，G21和G22是旋转对称的。让第4，第6，第8和第10 - 到20阶非球面项作为变量，在这里没有使用最后的六个系数。
让我们运行这个MACro。可能会得到更好的结果，模拟退火几个周期。
这使得评价函数降至2.1E-5，这表明已经找到了一个很好的解决方案。

这是最终设计的FLUX图：

曲线几乎完全均匀，那么OPD误差怎么样？

' thEZ
    SYNOPSYS AI>OPD '/[9Xwh9
jlA?JB
        SYNOPSYS AI>SFA 5 P n_qDg
uK_R#^
        ID LASER BEAM SHAPER                       115            20-MAY-17   13:32:54 iL](w3EM
        SAGITTAL RAY FAN ANALYSIS 5e|2b] f$
9cO m$
        FRACT. OBJECT HEIGHT               HBAR      0.000000   GBAR      0.000000 hHoc>S6^M
        COLOR NUMBER                          1 YO3$I!(
B4>kx#LR
         REL ENT PUPIL   WAVEFRONT ABERR ]JUb;B;Z
              XEN            OPD (WAVES) S7A[HG;
        ________________________________ i=ztWKwKf
        0.200             -0.000865       0.400 r'GD
        -6.675373E-05       0.600 Tam\,j
        0.000361 YcQ3:i
             0.800             -0.000651 `O'@TrI
             1.000             -0.000791

这种设计基本上是完美的，误差小于1/1000，并且它只需要两片透镜。看起来不需要像第11课的六片透镜那么多镜片的设计！
为了确保正确性，还要检查DPROP的输出波前：

':[:12y[
    STORE 9 aV6l"A]
    CHG uQYBq)p|
    1 SIN `"#0\Wh
    1 TH 0 Bp.z6x4
    CFIX 2 ~zo)G0
    END 5YQq*$|'+
    DPROP P 0 0 6 SURF 2.5 R RESAMPLE *a2y
    GET 9

这正是我们追求的目标。在这里，该程序再次确定衍射不起重要作用，并且计算纯粹是几何的。
现在唯一的问题是非球面镜的制造难度。查看非球面镜与最近拟合球面（CFS）的距离。

u>cU*E4/
ADEF 3 PLOT ADEF F9Bj$`#)
4 PLOT

这两个非球面镜都距离CFS只有几微米。看来这是可控的。看看相对于CFS的边缘模式：
ADEF 3 FRINGES

这样的非球面面型，对加工厂来说，是可以被加工出来的。请参阅第21课，了解如何使用CLINK优化功能来实现这一目标。

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