球面激光光束整形器:SYNOPSYS 光学设计软件
,;)Y1q}Q 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。 >A5R 处理办法: M$~3`n*^ 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,所以我们希望看到我们可以先做些什么。 f uQbDb& 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设置开始,我们将继续优化。 (+68s9XS7 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。 Ni#!C:q 这是我们输入的初始结构: Aayh'xQ RLE ! Beginning of lens input file. ID LASER BEAM SHAPER <nlZ?~%} WA1 .6328 ! Single wavelength 11[[H kX@ UNI MM ! Lens is in millimeters usH9dys, OBG .35 2 ! Gaussian object; waist radius -.35 mm; define full aperture as 2 * 1/e**2 point. gyj.M`+y 1 TH 22 ! Surface 2 is 22 mm from the waist. T]-yTsto 2 RD -5 TH 2 GTB S ! Guess some reasonable lens parameters; use glass type SF6 from Schott catalog SF6 qYR
$5 3 UMC 0.3 YMT 5 ! Solve for the curvature of surface 3 so the marginal ray has an angle of 0.3 wwrP7T+d ! find spacing so ray height is 5 mm on next surface Zu`;
S#Y 4 RD 20 TH 4 PIN 2 ! Guesses for surface 4 D9,609w 5 UMC 0 TH 50 ! Solve for curvature of 5 so beam is collimated. 'KB\K)cD=3 7 ! Surfaces 6 and 7 exist |z\5Ik!fF] AFOCAL ! because they are required for AFOCAL output. 'kb5pl~U END ! End of lens input file. ;*1bTdB5a G6(kwv4 (这个系统处于AFOCAL模式,这意味着输出将被准直。但是如果图像处于无限远处,横向像差是没有意义的,因此程序将它们转换为角度像差,不需要“完美透镜”。但程序需要 最后两个虚拟表面,它在那里进行平移,这里是表面6和7.) :Rv?>I j 首先,让我们检查一下能量密度如何从孔径的中心下降到边缘。 有三种方法可以做到这一点。 最简单的是使用FLUX命令: (MhC83|? FLUX 100 P 3 !l|vO( RO[Ko-m|/N 此输入将显示表面3上的通量,显示预期的衰减: +^ a9i5 另一种方法使用FLUX像差。 此表单为您提供了更大的灵活性,因为您可以自己指定孔径和视场点。 使用以下行创建MACro。 (注意DD的符号定义): b&[9m\AX` DD: DO MACRO FOR AIP = -1 TO 1 '{dduHo COMPOSITE ! Ready a composite definition. =y-L'z&r CD1 P FLUX 0 0 AIP 0 3 ! Composite data number 1 is the flux at a relative Y- coordinate of AIP yTzP{I ! (defined later) on surface 3. 5OeTOI()&5 = CD1 J!5BH2bg Z1 = FILE 1 KiYO,nD;\ = 1 + Z1 1{l18B` ORD = FILE 1
u$ C@0d 9<u^.w 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,并绘制光通密度。 让我解释一下逻辑。 #[0:5$-[ • CD1 P FLUX ...计算表面3处AIP区域(环路变量)的通量衰减 Ck;O59A"&- • = CD1是一个等式,其结果自动放在FILE位置1。 @)s;u}H • Z1= FILE 1获取该值并将其置于变量Z1中。 fHhm)T8KB • = 1 + Z1为结果添加1.0。 这是总通量,因为Z1是衰减。 Tlrr02>B{ • ORD= FILE 1获取此值并将其用于绘图的纵坐标,其横坐标为循环变量AIP。 h07Z.q ; 这是图: ]@X5'r" 再次,您可以看到高斯光通量曲线,根据OBG定义评估为1 / e ** 2点的两倍。 (第三种方式使用DPROP衍射传播特征。设置和运行更复杂,但考虑到光束的衍射,其他两个则不然。) MJNY#v3 本课程的目的是使通量尽可能均匀,目标是在孔径上改变10%。 d\aKGq;8C 在这里,我们简单地猜测了一些起始透镜尺寸,但我们已经看到了一个解决方案的暗示:注意边缘光线如何朝向轴会聚,而中心光线更准直。 能量确实会比以前更集中在边缘,这是向正确方向迈出的一步 - 但我们也希望整个光束准直,所以我们需要一种方法来拉直光线。 这更难。 *z[G+JX 两个元件不足以实现目标,使用WorkSheet再添加两个元件。 点击“工作表”按钮, 然后单击“工作表”工具栏中的“插入元件”按钮。 然后在PAD显示中单击轴,在表面右侧添加一个元件。再向右侧再做一次相同的操作。 现在系统看起来像这样: AQn>K{M 我们将尝试优化这个系统,但首先让我们创建一个Checkpoint,这样如果事情不能按照我们的希望工作,我们可以立即返回。 单击“检查点”按钮。 x{4Rm,Dxn 在我们需要设置一个优化MACro,看看我们是否可以解决问题。 这是一个开始: *uHL'Pe;m CHG NOP rt">xVl 9 UMC END PN9^ sLx= vzV,}
S*c PANT ! Start of variable parameter definitions. VLIST RAD ALL ! Vary all radii. /~3~Xc~=p VLIST TH 3 5 6 7 8 ! Vary the airspaces and two thicknesses (so AEC works on those elements). END :VwU2 }
8ZCWmd AANT ! Start of merit function definition AEC 0\v98g<[+ ACC HUqG)t*c1 LUL 100 1 1 A TOTL ! Prevent the system from growing too large; assign upper-limit of 150 on TOTL. pRI<L' M 5 10 A P YA 0 0 1 0 9 ! Ask for a beam radius of 5 mm on surfaces 9 and 10 }L
Q9db1 M 5 10 A P YA 0 0 1 0 10 RtVy^~=G M 0 1 A P FLUX 0 0 1 0 10 ! Ask for a flux falloff of zero at several zones on 10 iEx.BQ+ M 0 1 A P FLUX 0 0 .98 0 10 HT]W2^k M 0 1 A P FLUX 0 0 .97 0 10 m|q?gX9R M 0 1 A P FLUX 0 0 .96 0 10 H.-jBFt} M 0 1 A P FLUX 0 0 .95 0 10 Z$qFjWp M 0 1 A P FLUX 0 0 .94 0 10 HScj
M 0 1 A P FLUX 0 0 .93 0 10 d"3S[_U M 0 1 A P FLUX 0 0 .92 0 10 [h>|6%sW M 0 1 A P FLUX 0 0 .91 0 10 E)==!T@E M 0 1 A P FLUX 0 0 .85 0 10 GC?X>AC: M 0 1 A P FLUX 0 0 .8 0 10 )|;*[S4 M 0 1 A P FLUX 0 0 .7 0 10 OLXkiesK{ M 0 1 A P FLUX 0 0 .5 0 10 &8'.Gwm} M 0 1 A P FLUX 0 0 .3 0 10 ?^Sk17G GSO 0 1 5 P ! Control the output ray OPD over an SFAN of 5 rays. C${{&$& |