球面激光光束整形器:SYNOPSYS 光学设计软件
)u'oI_ 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。 DZ(e^vq 处理办法: @X 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。 0ot=BlMu 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。 ^V_vpr]}P 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。 d\'M ~VQ 这是我们输入的初始结构: BY32)8SH RLE ! Beginning of lens input file. ID LASER BEAM SHAPER H2p1gb# WA1 .6328 ! Single wavelength ([`-*Hy UNI MM ! Lens is in millimeters UIIunA9 OBG .35 2 ! Gaussian object; waist radius -.35 mm; define full aperture as 2 * 1/e**2 point. *.n9D 1 TH 22 ! Surface 2 is 22 mm from the waist. #oJ9BgDry 2 RD -5 TH 2 GTB S ! Guess some reasonable lens parameters; use glass type SF6 from Schott catalog SF6 +twJHf_U 3 UMC 0.3 YMT 5 ! Solve for the curvature of surface 3 so the marginal ray has an angle of 0.3 3[-L'!pOX3 ! find spacing so ray height is 5 mm on next surface >c;qIP)Z 4 RD 20 TH 4 PIN 2 ! Guesses for surface 4 a:H}c9$% 5 UMC 0 TH 50 ! Solve for curvature of 5 so beam is collimated. WVf;uob{ 7 ! Surfaces 6 and 7 exist e
J2wK3R AFOCAL ! because they are required for AFOCAL output. =/Vr,y$ END ! End of lens input file. Bn-%).-ED #0hX)7(j (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.) b?h"a<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: g>T'R Vb FLUX 100 P 3 rqT@i(i CYes'lr 此输入将显示表面3上的通量,显示预期的衰减: c
R[DT04 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): `cMa Fc-y/ DD: DO MACRO FOR AIP = -1 TO 1 /8Ca8Ju COMPOSITE ! Ready a composite definition. 3:dQN;= CD1 P FLUX 0 0 AIP 0 3 ! Composite data number 1 is the flux at a relative Y- coordinate of AIP - "h
{B ! (defined later) on surface 3. "a>%tsl$K = CD1 Cf@WjgR
Z1 = FILE 1 oT_k"]~Q~2 = 1 + Z1 enDjP ORD = FILE 1 M5[AA/@ +c+#InsY 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。 p`T7Y\\#! • CD1 P FLUX ...计算表面3处AIP区域(环路变量)的通量衰减 Qm^N}>e • = CD1是一个等式,其结果自动放在FILE位置1。 ,d&~#W] • Z1= FILE 1获取该值并将其置于变量Z1中。 Vdh5s 292h • = 1 + Z1为结果添加1.0。 这是总通量,因为Z1是衰减。 0 \&4? • 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。 ft?J|AG 这是图: <G}>Gk8x 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。) eiJ $}\qJL 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%。 _u]Wr%D@ 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。 "qMd%RP 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: WSW aq\9]8 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。 <Mxy&9}ic 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: Y{f;qbEQH' CHG NOP X3<<f`X 9 UMC END JY4 +MApN AW%^Xt PANT ! Start of variable parameter definitions. VLIST RAD ALL ! Vary all radii. {6 C!^ 5 VLIST TH 3 5 6 7 8 ! Vary the airspaces and two thicknesses (so AEC works on those elements). END [;83
IoU} bTb|@ AANT ! Start of merit function definition AEC }9:d(B9; ACC A@f`g[q LUL 100 1 1 A TOTL ! Prevent the system from growing too large; assign upper-limit of 150 on TOTL. g()YP 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"*zr ;# M 5 10 A P YA 0 0 1 0 10 vRVQ:fw M 0 1 A P FLUX 0 0 1 0 10 ! Ask for a flux falloff of zero at several zones on 10 bX=A77 M 0 1 A P FLUX 0 0 .98 0 10 B14z<x}Q
M 0 1 A P FLUX 0 0 .97 0 10 |9@?8\ M 0 1 A P FLUX 0 0 .96 0 10 CM!bD\5 M 0 1 A P FLUX 0 0 .95 0 10 TMT65X! M 0 1 A P FLUX 0 0 .94 0 10 qVx4 t"%L> M 0 1 A P FLUX 0 0 .93 0 10 %f*8JUE16 M 0 1 A P FLUX 0 0 .92 0 10 ![0\m2~iv M 0 1 A P FLUX 0 0 .91 0 10 .Q>.|mu M 0 1 A P FLUX 0 0 .85 0 10 #JWW ;M6F M 0 1 A P FLUX 0 0 .8 0 10 Kn?>XXAc M 0 1 A P FLUX 0 0 .7 0 10 69p>?zn M 0 1 A P FLUX 0 0 .5 0 10 VK[^v; M 0 1 A P FLUX 0 0 .3 0 10 6H53FMqr GSO 0 1 5 P ! Control the output ray OPD over an SFAN of 5 rays. ,KdDowc END ! End of merit function definition. 0h_ 9 SNAP ?<%GYdus SYNO 100 OT+=H)/ -2{NI.-Xd 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。) Vof[yL ` 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。 C-V,3}=*2 看起来我们还没有完成。 该怎么办? !NuiVC] 好吧,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,因此非常微弱的外缘与中心一样明亮。 也许这太过要求了。 让我们再次恢复检查点并编辑对象规范。 在工作表中,在表面框中输入数字0,然后单击更新。 这将显示编辑窗格中的当前系统规范,包括对象选择。 RplLU7 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,并退火几个周期。 }i ^]uW*h 现在通量稍好一些。 我们提到在保持光线角度控制的同时使强度分布变平并不容易。 OPD约为0.35波。 F;kY5+a7~e 这似乎与我们用四个元件达到的平衡一样好。 如果我们再添加一些会怎么样? 让我们从这个设计开始,再添加两个元件。 8LB,8*L^ 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元件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,这意味着“ 最后一个”。 由于透镜中的最高表面当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。 YNRpIhb CHG NOP |Rd?s0u 13 UMC END ; $i{>mDT *:{s|18Pj PANT ! Start of variable parameter definitions. &7VN?ox1 VLIST RAD ALL ! Vary all radii. o:W>7~$jr= VLIST TH ALL FAX|.!US*p END
=8?y$WE YC8wo1;Y! AANT ! Start of merit function definition AEC :k*'MU} ACC ,.A@U*j LUL 100 1 1 A TOTL ! Prevent the system from growing too large ~:'tp28? M 5 10 A P YA 0 0 1 0 LB1 ! Ask for a beam radius of 5 mm on surfaces 9 and 10 C& |