SYNOPSYS 光学设计软件课程十一：球形激光光束整形器

`S&a.k
激光器的输出具有非均匀的高斯强度分布，并且对于某些应用，人们希望使其均匀分布。这是激光束整形器的工作需求。 0r]n 0?x
处理办法： ><%585
这项工作可以通过多种方式完成。对于具有球面的简单透镜，它需要以重新分布光的方式平衡大量的球差，降低光束中心处的能量密度，同时在边缘附近增加光束。使用非球面表面更容易，其中人们可以更好地控制要引入的像差量，如果使用衍射光学元件，则更容易控制。问题是后者比球面镜片贵得多，所以我们要明白我们想要一个什么样的结果。 93-Y(Xx)bY
考虑到这一点，我们将尝试一种全部使用球面透镜的方法，以确定我们可以制作光束的均匀程度以及我们需要多少元件。让我们从一个非常简单的结构开始。 B( [x8A]
将腰半径为0.35mm的HeNe激光器转换成直径为10mm且均匀至10％以内的光束。 Urj*V0^
这是我们输入的初始结构：

k<1yv$/mW
    RLE                         ! Beginning of lens input file. ID LASER BEAM SHAPER vNv?trw
    WA1 .6328                 ! Single wavelength NGra/s,9|
    UNI MM                     ! Lens is in millimeters A'qe2]
    OBG .35 2                 ! Gaussian object; waist radius -.35 mm; define full aperture as 2 * 1/e**2 point. gmTBT#{6yH
    1    TH 22                 ! Surface 2 is 22 mm from the waist. }ze+ tf
    2    RD -5 TH 2 GTB S     ! Guess some reasonable lens parameters; use glass type SF6 from Schott catalog SF6 61\u{@o$
    3    UMC 0.3 YMT 5         ! Solve for the curvature of surface 3 so the marginal ray has an angle of 0.3 #kg`rrFr
                             ! find spacing so ray height is 5 mm on next surface ^<]'?4m]
    4    RD 20 TH 4 PIN 2     ! Guesses for surface 4 }E`Y.= S
    5    UMC 0 TH 50             ! Solve for curvature of 5 so beam is collimated. ?}||?2=P
    7                         ! Surfaces 6 and 7 exist -luQbGcT3
    AFOCAL                     ! because they are required for AFOCAL output. 6|97;@94
    END                         ! End of lens input file.

（这个系统处于AFOCAL模式，这意味着输出将被准直。但是如果图像处于无限远处，横向像差是没有意义的，因此程序将它们转换为角度像差，不需要“完美透镜”。但程序需要最后两个虚拟表面，它在那里进行平移，这里是表面6和7.）
首先，让我们检查一下能量密度如何从孔径的中心下降到边缘。有三种方法可以做到这一点。最简单的是使用FLUX命令：

VJ*1g+c
FLUX 100 P 3

此输入将显示表面3上的光通量，显示预期的衰减：

另一种方法使用FLUX像差。此列表为您提供了更大的灵活性，因为您可以自己指定孔径和视场点。使用以下命令创建MACro。（注意DD的符号定义）：

~G@NWF?7
    DD: DO MACRO FOR AIP = -1 TO 1 s8j |>R|k
    COMPOSITE                    ! Ready a composite definition. lR(9;3
    CD1 P FLUX 0 0 AIP 0 3        ! Composite data number 1 is the flux at a relative Y- coordinate of AIP M!mL/*G@YE
                                ! (defined later) on surface 3. AbU`wr/h 4
    = CD1 Iil2R}1
    Z1 = FILE 1 6iFlz9XiI
    = 1 + Z1 , c.^"5
    ORD = FILE 1

运行此MACro一次，然后输入STEPS = 100然后输入DD。程序将AIP的值从-1循环到1，并绘制光通量密度。让我解释一下。
•    CD1 P FLUX ...计算表面3处AIP区域（环变量）的光通量衰减
•    = CD1是一个等式，其结果自动放在FILE位置1。
•    Z1= FILE 1获取该值并将其置于变量Z1中。
•    = 1 + Z1为结果添加1.0。这是总通量，因为Z1是衰减。
•    ORD= FILE 1获取此值并将其用于绘图的纵坐标，其横坐标为循环变量AIP。
这是图：

再次，您可以看到高斯光通量曲线，根据OBG定义评估为1 / e ** 2点的两倍。（第三种方式使用DPROP衍射传播特征。设置和运行更复杂，但考虑到光束的衍射，其他两个则不然。）
本课程的目的是使光通量尽可能均匀，目标是在孔径上改变10％。
在这里，我们简单地猜测了一些起始透镜尺寸，但我们已经看到了一个解决方案的暗示：注意边缘光线如何朝向轴会聚，而中心光线更准直。能量确实会比以前更集中在边缘，这是向正确方向迈出的一步 - 但我们也希望整个光束准直，所以我们需要一种方法来拉直光线。这更难。
两个元件不足以实现目标，使用WorkSheet再添加两个镜片。点击“工作表”按钮，

然后单击“工作表”工具栏中的“插入元件”按钮

。然后在PAD显示中单击轴，在表面右侧添加一个镜片。再向右侧再做一次相同的操作。现在系统看起来像这样：

我们将尝试优化这个系统，但首先让我们创建一个Checkpoint，这样如果事情不能按照我们的希望工作，我们可以立即返回。单击“检查点”按钮

。
我们设置一个优化MACro，看看我们是否可以解决问题。

UlXm4\@
    CHG NOP 31n"w;
    9 UMC END ;_sJ>.=\
zzG=!JR
    PANT                        ! Start of variable parameter definitions. VLIST RAD ALL    ! Vary all radii. goM;Pf "<
    VLIST TH 3 5 6 7 8            ! Vary the airspaces and two thicknesses (so AEC works on those elements). END 'CBwE&AL
LpHGt]|D
    AANT                        ! Start of merit function definition AEC IRW0.'Dn
    ACC |N,^*xP(6
    LUL 100 1 1 A TOTL            ! Prevent the system from growing too large; assign upper-limit of 150 on TOTL. UrniJB]
    M 5 10 A P YA 0 0 1 0 9            ! Ask for a beam radius of 5 mm on surfaces 9 and 10 q4BXrEOw
    M 5 10 A P YA 0 0 1 0 10 \F _1C=
    M 0 1 A P FLUX 0 0 1 0 10   ! Ask for a flux falloff of zero at several zones on 10 cGot0' mB
    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .98        0    10 _KRnx-
    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .97        0    10 +U fw
    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .96        0    10 6:_~-xG
    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .95        0    10 bR`5g
    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .94        0    10 L03I:IJ
    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .93        0    10 `&;#A*C0
    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .92        0    10 q/U-WQ<+
    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .91        0    10 +\dVC,,=^g
    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .85        0    10 lp*5;Ls'q
    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .8    0        10 /%YW[oY{V
    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .7    0        10 ,Csdon
    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .5    0        10 vbJ<|#|r-
    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .3    0        10 {/[@uMS_6]
    GSO 0 1 5 P                    ! Control the output ray OPD over an SFAN of 5 rays. zJ`u>:*$
    END                            ! End of merit function definition. >iyNZ]."\
    SNAP (o>N*?,}
    SYNO 100

运行此MACro，透镜现在看起来像这样（您的结果可能会有所不同，因为您单击插入元件的确切位置是不可预测的。）

为了确定情况是否有所改善，我们需要再次评估光通量均匀性。输入FLUX 100 P 10.光通量没有改善。

还没有达到我们想要的结果。
请记住我们定义了高斯光源，使“全孔径”是1 / e ** 2点的两倍。这意味着我们正在尝试重新分配能量，因此外缘与中心一样明亮。也许这要求过高了。让我们再次恢复检查点并再次编辑。在工作表中，在表面框中输入数字0，然后单击更新。

该对象目前是OBG 0.35 2.将其更改为OBG .35 1并单击“更新”。现在，“全孔径”处于1 / e ** 2点，而不是之前的两倍。将其保存为新的检查点，再次运行最后一个MACro，并模拟退火几个周期。

现在光通量稍好一些。我们提到在保持光线角度控制的同时使强度分布变均匀并不容易。 OPD约为0.35波长。
这似乎与我们用四个镜片达到的效果一样好。如果我们再添加一些镜片会怎么样？让我们从这个设计开始，再添加两个镜片。
现在我们需要将新变量添加到PANT文件中; 此外，由于评价函数指定了要评估某些数量的表面编号，并且每当我们添加一个镜片时这个数字都会改变，我们可以通过将表面编号更改为特殊符号“LB1”来简化操作。由于透镜中的最高表面到15，因此该符号自动变为数字14。现在，如果我们在搜索解决方案时决定添加或删除元件，则我们不必每次都编辑该数字。我们还在GSO之后添加了GSR指令，以更好地控制光线角度，并且我们降低OPD光扇图的权重以更好地平衡物体。

+kI}O*s
    CHG NOP (4Db%Iw
    13 UMC END 5a |[cR
51:5rN(_
    PANT                        ! Start of variable parameter definitions. #m#IBRD:
    VLIST RAD ALL                ! Vary all radii. ;apLMMsWC
    VLIST TH ALL AB $N`+&
    END CW;zviH5
Q_T,=y
    AANT                        ! Start of merit function definition AEC <B%wq>4S
    ACC \]Y<d
    LUL 100 1 1 A TOTL            ! Prevent the system from growing too large o.$48h(
    M 5 10 A P YA 0 0 1 0 LB1   ! Ask for a beam radius of 5 mm on surfaces 9 and 10 \m`IgP*
    M 5 10 A P YA 0 0 1 0 LB2 kr$)nf
    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    1 0    1    0       ! Ask for a flux falloff of zero at several zones UAjN
    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .98    0    LB1 2
    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .97    0    LB1 1uo |a
    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .96    0    LB1 {9J|\Zz3
    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .95    0    LB1 K-YxZAf
    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .94    0    LB1 nANl9;G
    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .93    0    LB1 l|842N@1
    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .92    0    LB1 &[`24Db
    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .91    0    LB1 f*@ :,4@
    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .85    0    LB1 YBY;$&9
    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .8    0    LB1 0ytAn+/"x
    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .7    0    LB1 BTsvL>Wy
    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .5    0    LB1 hgZvti
    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .3    0    LB1 g=KK PSK
    GSO 0 1 10 P                ! Control the output ray OPD over an SFAN of 5 rays. GSR 0 50 10 P 6rS ? FG=
W}F~vx.
    END                            ! End of merit function definition. Cpzdk~+H
    SNAP HF*~bL
+;H=_~b
    SYNO 40

我们运行这个MACro，然后单击模拟退火按钮

。我们输入约50的起始温度并选择Quiet选项以加快速度。经过多次模拟退火后，透镜结构如下:(当你自己运行这些工作时，由于模拟退火过程的随机性，答案通常会有所不同。但通常质量会相似。）

并且光通量将在我们的10％均匀性目标内。

OPD误差现在远低于一个波长。似乎可以全部使用球面元件完成这项工作，但需要六个镜片。
现在我们理解为什么人们通常会使用非球面或衍射元件来完成这种工作。因为可以使用更少的镜片并得到更好的性能，因此值得花费额外的制造成本。
要完成本课程，让我们看一下系统中出现的光线模式。转到足迹对话框（MFP），选择表面13,10x刻度，并要求600光线。这是光线分布：

这对光束整形器来说非常好; 光线更多地散布在中心附近并在边缘附近压缩，这正是使光束更均匀的正确方法。
现在我们将使用DPROP来评估最终的包络。在这种设计中，光束从表面3开始向外扩展，此后衍射不会发挥重要作用。所以我们可以运行DPROP，计算将是纯几何的。
以下是运行DPROP所需的输入：

PazWMmI
    CHG 0$XrtnM
    CFIX ;[zZI~wh
    1 TH 0 6 y"r'
    END 0o6r3xc;
    DPROP P 0 0 13 SURF 3 R    RESAMPLE

在这里，我们将所有孔径更改为固定值，这在运行DPROP时建议使用，因为如果衍射在那里发送少量的能量，那么该程序通常会检查比透镜允许的更大的区域。固定孔径可防止这种情况发生表面13上的波前现在看起来像这样：

为了用真实光线精确地为高斯光束建模，应该尽早扩展光束; 那么衍射传播不再是一个问题。在下一课中，我们将开发一个具有非球面表面的光束整形器，以说明这些非常有用的变量的影响。
本课程旨在向您展示您可以使用的一些工具，并说明需要注意的内容以及如何处理遇到困难。

火车污污	2019-02-26 15:21
很有收获，谢谢楼主

optics1210	2019-02-27 09:19
火车污污:很有收获，谢谢楼主 (2019-02-26 15:21) 4_eFc$^ 9/\=6vC\| 可以联系我同事，133 9604 4940（同微信号），或者邮件：joychan@asdoptics.com，给您试用版链接体验一下。

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