| SYNOPSYS 光学设计软件课程十二:非球面激光光束整形器
  	ID,_0b  C)EP;5k'!\
 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。 Q+9:]Bt
 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:
  TPk?MeVy%W  1?FG3X 5RLE ~o"=4q`>
 ID LASER BEAM SHAPER     ! Beginning of lens input file ~U"m"zpLP
 WA1 .6328               ! Single wavelength Ue
>]uZ|
 UNI MM               ! Lens is in millimeters 'kcR:5B
 OBG .35 1               ! Gaussian object; waist radius -.35 mm; define full aperture at the 1/e**2 point. p8%qU>~+4
 1 TH 22                ! Surface 2 is 22 mm from the waist . Y'iyfnk
 2 RD -5 TH 2 GTB S 6{1=3.CL
 SF6     ! Guess some reasonable lens parameters; use glass type SF6 from Schott catalog fPUr	O
 3 UMC 0.3 YMT 5          ! Solve for the curvature of surface 3 so the marginal ray has an angle of 0.3; find $">j~! '
 !spacing so ray height is 5 mm on next surface A`f"<W-m
 RD 20 TH 4 PIN 2          ! Guesses for surface 4 Jl`^`Yv
 S,AxrQc
 UMC 0 TH 50           ! Solve for curvature of 5 so beam is collimated. "}*D,[C5e
 7                    ! Surfaces 6 and 7 exist *0!p_Hco
 C`g
"Mk8
 AFOCAL                       ! because they are required for AFOCAL output. =N\; ?eF(
 END                    ! End of lens input file.
 Rq5'=L
 优化命令如下
  :! oJmvy  #!F>cezCHG )PP yJ@M
 NOP                  ! Be sure there are no pickups or solves. 确保没有拾取或解决方案。 ~. vridH
 4 PIN 2 BL16?&RK
 5 TH 10 UMC 0         ! move surface 6 before the caustic在焦散前移动表面6  a-	rR`
 END TsK!36cg
 +yWD>PY(
 PANT                   ! Start of variable parameter definition. 开始定义变量参数 |di(hY|
 VLIST RAD 2 3 4 5   ! Vary four radii. 四个半径变化 D`a6D
 VLIST TH 3          ! Vary the central airspace. 改变中心的空气间隔。 NknS:r&2
 VY 3 CC              ! Vary the conic constant on surface 3. 改变表面3上的圆锥常数 3u/JcU-<
 VY 4 CC              ! And on surface 4. 改变表面4上的圆锥常数 $e7%>*?m
 VY 3 G 3            ! Add three aspheric terms to surface3. 向表面3添加三个非球面项 .s*N1
U?h
 VY 3 G 6 j}ob7O&U'w
 VY 3 G 10 WK`o3ayH-
 VY 4 G 3             ! And three to surface 4. 表面4也添加3个球面顶 VGeTX	4h
 VY 4 G 6 zY_J7,0g
 VY 4 G 10 AF{uFna
 END jL\j$'KC
 Qq`S=:}~x
 AANT                   ! Start of merit function definition. 开始评价函数定义 :kR>wX
 AEC                   ! Enable automatic edge feathering control. 启用控制边缘厚度 =eU=\td^
 ACC                   ! Enable automatic center thickness monitoring启控制中心厚度 u_^mN9h
 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 \+R %KA/F
 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。 .h=n	[`RB
 M 5 100 A P YA 0 0 1 0 LB1 T(?w}i
 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。 -K=.A*}
 9Q4{	cB
 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。 FAdTm#tgW]
 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。 l2St)`K8
 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。 .t1:;H b
 M 0 1 A P FLUX 0 0 .97 0 LB1 3)EJws!
 M 0 1 A P FLUX 0 0 .96 0 LB1 }S uj=oFp
 M 0 1 A P FLUX 0 0 .95 0 LB1 h$'6."I
 M 0 1 A P FLUX 0 0 .94 0 LB1 TUnAsE/J&
 M 0 1 A P FLUX 0 0 .93 0 LB1 ^Qx?)(@
 M 0 1 A P FLUX 0 0 .92 0 LB1 O3o^%0
 M 0 1 A P FLUX 0 0 .91 0 LB1 =\%ER/
 M 0 1 A P FLUX 0 0 .9 0 LB1 g D6S%O
 M 0 1 A P FLUX 0 0 .89 0 LB1 ~-A"j\gi"
 M 0 1 A P FLUX 0 0 .88 0 LB1 6v3l^~kc'
 M 0 1 A P FLUX 0 0 .86 0 LB1 Z|n|gxe
 M 0 1 A P FLUX 0 0 .84 0 LB1 /=p[k^A
 M 0 1 A P FLUX 0 0 .82 0 LB1 &<e18L7a
 M 0 1 A P FLUX 0 0 .8 0 LB1 Z8$BgP
 M 0 1 A P FLUX 0 0 .7 0 LB1 >SDQ@63E?
 M 0 1 A P FLUX 0 0 .5 0 LB1 w/*G!o-<
 M 0 1 A P FLUX 0 0 .3 0 LB1 @\?ubF
 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 D0jV}oz
 GSR 0 50 10 P           ! And also target the ray angles to zero. 并且还将光线角度定为零。  u @Ze@N%
 END $vu*# .w
 yk8b>.Y\A
 SNAP ; R+>}6
 SYNO 50
 'z8FU~oU
 虽然这很简单,但应该指出:为什么GSR用于瞄准光线角度?通常,GSR控制每条光线相对于主光线的实际X坐标 - 但由于此系统处于AFOCAL模式,输出是准直的,因此该案例将以输出角度为目标。 NF8<9
 如何指定光线和光通量目标应在表面6?这个系统共有七个表面,计算AFOCAL角度转换所需的两个虚拟面。助记符“LB1”表示“最后但只有一个”,并且在处理输入时它被表面6替换。 Ih:Q}V#6
 此处,选择两个表面上圆锥系数和三个非球面系数为变量。还有更高的系数,这种形式的非球面有22个系数可用,但只有系数G3,G6,G10,G16,G18,G19,G20,G21和G22是旋转对称的。让第4,第6,第8和第10 - 到20阶非球面项作为变量,在这里没有使用最后的六个系数。 RlL]p`g
 让我们运行这个MACro。可能会得到更好的结果,模拟退火几个周期。 i`gM>	 q&
 这使得评价函数降至2.1E-5,这表明已经找到了一个很好的解决方案。 D-BT`@~l
 这是最终设计的FLUX图: 61H_o7XXk
 曲线几乎完全均匀,那么OPD误差怎么样?
  C~pas~  1@p,SYNOPSYS AI>OPD bIiuna\
 fG'~@'P~
 SYNOPSYS AI>SFA 5 P cOV9g)7^O
 X+]>pA
 ID LASER BEAM SHAPER                       115            20-MAY-17   13:32:54 wmGcXBHt$
 SAGITTAL RAY FAN ANALYSIS */M`KPW
 e El)wZ,A
 FRACT. OBJECT HEIGHT               HBAR      0.000000   GBAR      0.000000 =\.*CY|;N
 COLOR NUMBER                          1 0beP7}$
 X=#us7W}
 REL ENT PUPIL   WAVEFRONT ABERR |)!f".`
 XEN            OPD (WAVES) N 5*Qnb8
 ________________________________ yIKpyyC9H
 0.200             -0.000865       0.400 33DP?nI}
 -6.675373E-05       0.600 -NJpql{Cb
 0.000361 @KL&vm(F$
 0.800             -0.000651 v%qOW)].
 1.000             -0.000791
 B$2b=\
 这种设计基本上是完美的,误差小于1/1000,并且它只需要两片透镜。 看起来不需要像第11课的六片透镜那么多镜片的设计! .1[.f}g$J
 为了确保正确性,还要检查DPROP的输出波前:
  C Imp,k0  $L= Dky7STORE 9 %FYhq:j
 CHG b$DiDm
 1 SIN o>8~rtl
 1 TH 0 R0INpF';
 CFIX ~QbHp|g
 END [<53_2]~
 DPROP P 0 0 6 SURF 2.5 R RESAMPLE 06]3+s{{
 GET 9
 !=:>y WQ
 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。 Ts
!g=F
 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。
  `TJhH<z"%  {C5:asADEF 3 PLOT ADEF ] x)>q
 4 PLOT
 UAF$bR
 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: A6=Z2i0w>X
 ADEF 3 FRINGES 'l^Bb#)"
 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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