[原创]SYNOPSYS 光学设计软件第46课：一个激光二极管光束转换器 [复制链接]

这节课将展示如何设计从一个激光二极管到一个圆形准直光束的光学转换器。我们从一个典型的激光二极管的规格开始，它在X方向和y方向上有不同的发散角，设计任务比较复杂。以下是我们的设计规格:

Y方向的光束发散度: 8.5度

X方向的光束发散度: 19 度

波长为0.403 um

我们将使用OBG命令，它需要高斯腰半径作为参数。首先我们要把发散角转换成半径值。

在用户手册的3.1.2节中，我们了解到该程序利用公式将光束半径转换为发散角

DIV = WAV(p) M2 / π WAIST No

WAIST = WAV(p) M2 / π DIV No

      从这里我们得到了y方向的GWR = 0.0008644和x方向的GWR =0.0003868。现在我们创建RLE文件。在EE编辑器中键入RLE文件

      ID LASER DIODE BEAM CONVERTER UNI MM

      WA1 .403

      OBG 0.0008644 1 .0003868

      1 TH 20

      2

      END

然后运行这个宏，你会得到一个结构简单初始结构

很容易看出光束在X方向上与在Y方向上的差异:

      SYNOPSYS    AI>BEAM

      ID LASER    DIODE BEAM CONVERTER    2434    21-JUL-18

      13:43:50

      GAUSSIAN BEAM ANALYSIS

      SURF    BEAM RADIUS    WAIST LOCATION    WAIST RADIUS    DIVERGENCE

      1    8.6440000E-04 -3.8714234E-16    8.6440000E-04    0.148402

      2    2.968045    -20.000000    8.6440000E-04    0.148402

      SYNOPSYS AI>XBEAM

      ID LASER DIODE BEAM CONVERTER    2434    21-JUL-18 13:43:52

      GAUSSIAN BEAM ANALYSIS

      SURF    BEAM RADIUS    WAIST LOCATION    WAIST RADIUS    DIVERGENCE

      BEAM    ANALYSIS IS IN THE X-Z PLANE

      1    3.8680000E-04 -6.0536896E-16    3.8680000E-04    0.331641

      2    6.632828    -20.000000    3.8680000E-04    0.331641

      SYNOPSYS AI>

曲面2上的GBR在Y方向上比在x方向上小得多，我们的第一个任务是把这个差异消除掉。我们需要在光束的中心插入一个透镜。在工作表中，制作一个检查点，然后单击WS工具栏中的Insert Element按钮。然后点击PAD显示器靠近中心的位置，程序将在该位置添加一个镜片。

我们来看看光束输出的形状。输入MPE，选择旋转透视选项，并在光束边缘显示一个圆形图案，用红色表示。然后单击执行。

旋转显示器，你会看到X轴上的光束比Y轴上的光束要大得多。

纠正这个问题，需要在表面3上添加一个圆柱体透镜。在WS中，选择该曲面，单击曲率对话框按钮，然后选择Toric或柱面按钮，并给出Y-Z半径10毫米和X-Z半径0。单击OK按钮并关闭对话框。

现在我们在表面3上有一个圆柱体，但是我们必须调整它的参数，使表面4上的光束半径在X方向和y方向上相同。

创建一个新的宏。我们不希望光束太陡，所以我们要求镜片厚度由3毫米增加到33毫米。宏如下：

      PANT

      VY 2 RAD

      VY 3 RAD

      VY 3 TH END

      AANT

      M 33 1 A TH 3

      M 7 1 A P YA 0 0 1 0 4

      M 7 1 A P XA 0 1 0 0 4 END

      SNAP SYNO 10

运行这个宏之后，将创建一个新的RPER绘图。光束在位置4确实是圆形的。

但它还没有像我们希望的那样进行准直。在WS末尾添加另一个镜片。

我们将在曲面5上，使用非旋转对称的kinoform曲面，形状为USS 25。创建一个检查点，在WS中选择该曲面，然后再次打开曲率对话框。USS选项如下

如下灰面上的箭头所示，你必须从一个平坦的表面开始改变一个USS形状。点击平面按钮，然后点击USS按钮。当一个新的对话框打开时，选择类型25 Extended DOE，并单击OK和Close按钮。

我们希望输出的光束是准直的，添加曲面 7，并使系统无焦。

建立一个新的MACro

      PANT

      VY 2 RD

      VY 3 RD

      VY 4 RD

      VY 3 TH

      VY 5 G 16

      VY 5 G 17

      VY 5 G 18

      VY 5 G 19

      VY 5 G 20

      VY 5 G 21

      VY 5 G 24

      VY 5 G 25

      VY 5 G 26

      VY 5 G 27

      VY 5 G 28

      VY 5 G 29

      VY 5 G 32

      VY 5 G 33

      VY 5 G 34

      VY 5 G 35

      VY 5 G 36

      VY 5 G 37

      END AANT

      M 0 10 A P HH 0 0 1 0 5

      M 7.0 1 A P YA 0 0 1 0 5

      M 7.0 1 A P XA 0 1 0 0 5

      GNR 0 .1 9 P

      GNO 0 .1 9 P END

      SNAP SYNO 22

这将改变新DOE的系数，在X方向和Y方向上保持光束半径等于7mm，要求边缘光线出射角为零，并纠正横向色差和OPD像差。这个过程收敛得很好——但是第2个镜片太薄了，所以将厚度增加到3mm，并再次运行优化。以下是我们的设计:

输入MDI设置一个瞳孔图，按0.1波长/英寸的比例画图。结果显示误差小于1/10波。

我们还没考虑过强度衰减问题。这是一个激光二极管，我们假设强度分布是高斯的。让我们检查一下光通量。

FLUX 20 P 6

光通量的下降完全符合我们的预期。现在我们需要解决照度均匀的问题。

但是我们在第13课中解决过这个问题，所以我们让学习者自己去操作完成后面的练习。

我们这节课的宏如下所示。

      RLE

      ID LASER DIODE BEAM CONVERTER    2434 MERIT    0.202029E-04

      LOG    2434

      WA1 .4030000

      WT1 1.00000

      APS    1

      AFOCAL XPXT

      EPUPIL UNITS MM

      OBG 0.0008644  1. 0.0003868

      0    AIR    

      1    CV    0.0000000000000    TH    9.14848864 AIR

      2    CV    0.0868899628935    TH    1.00000000

      2    GLM    1.60000000        50.00000000

      3    CV    0.1150730958709    TH    30.13218529 AIR

      3    TORIC    0.00000000        

      4    CV    0.0405917229030    TH    3.00000000

      4 N1 1.62117979

      4 GID 'GLM-NdVd    '

      4    PIN    2

      5 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR

      5    USS 25

      CWAV    0.632800

      HIN    1.500000    55.000000

      RNORM    1.00000

      5 XDD 1    1.2488956E+00 -3.3430350E-02 -4.8801165E-05  2.3986731E-06 -6.1541865E-08

      5 XDD 2    5.6129758E-10  0.0000000E+00  0.0000000E+00 -5.9233478E+00 -4.6744410E-02

      5 XDD  3  -3.7078023E-05 -2.2003760E-06  3.6721484E-08 -4.9776438E-10 0.0000000E+00

      5 XDD 4    0.0000000E+00 -7.0629761E-02 -4.0279060E-05  5.1724603E-07 -6.0078137E-05

      5 XDD 5    1.4720853E-06 -1.2222347E-08  0.0000000E+00  0.0000000E+00 0.0000000E+00

      6 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR

      7 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR END