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optics1210 2018-09-07 14:29

SYNOPSYS 光学设计软件课程十三:带有Kinoform镜头的激光扩束器

VO u/9]a  
^W#161&  
在第11课中,您了解了如何使用普通球面透镜设计激光扩束器,并了解到需要多个透镜元件才能获得良好的性能。 第12课采用相同的设计,使用两个非球面元件,效果极佳。 本课程将证明您可以使用DOE(衍射光学元件)。 m!#'4  
目标是将腰半径为0.35mm的HeNe激光器转换成直径为10mm且均匀至10%以内的光束。 w&F.LiX^  
这是我们初始的输入文件:

p#;I4d G  
    RLE                ! Beginning of lens input file. 。 !pT i.3  
    ID KINOFORM BEAM SHAPER m-u3^\'  
    WA1 .6328               ! Single wavelength j3=%J5<  
    UNI MM           ! Lens is in millimeters sH_B*cr3  
    OBG .35 1          ! Gaussian object; waist radius -.35 mm; define full aperture = 1/e**2 point. 6~b)Hc/  
    1    TH 22          ! Surface 2 is 22 mm from the waist . Rq`d I~5!b  
    2    RD -2 TH 2 GTB S ! Guess some reasonable lens parameters; use glass type SF6 from Schott catalog ?cur}`  
    SF6 W *.j=?)\[  
    3    TH 20          ! Surface 3 is a kinoform on side 2 of the first element y) .dw(  
    3 USS 16          ! Defined as Unusual Surface Shape 16 (simple DOE) % H/V iC  
    CWAV .6328      ! Zones are defined as one wave phase change at this wavelengt /Pv dP#!  
    HIN 1.7988 55      ! Assume the zones are machined into the lens.  You can also apply  ! a film of a different index. X^o0t^  
    RNORM 1 ! mb<z^>5  
to,\sc  
    4 TH 2 GTB S O n/q&h5  
    SF6 ' Bx"i  
    4 USS 16 \0fS;Q^{j  
    CWAV .6328 W#Eg\nT  
    HIN 1.7988 55 5.M82rR; ~  
    RNORM 1 8.WZC1N  
         ! The first side of the second element is also a DOE _<^mi!Y  
    5 CV 0 TH 50      ! Start with a flat surface ~8 S2BV3@  
    7               ! Surfaces 6 and 7 exist >S}^0vNZX  
    AFOCAL           ! because they are required for AFOCAL output. (/$a*$  
    END           ! End of lens input file.
IeN~ E'~  
]iezwz`'  
我们给第2个表面指定了一个合理RD值。 这是现阶段还没有DOE的非球面系数的系统:
F<0GX!p4u  
光束被扩展但没有准直,并且强度分布仍然是高斯输入光束的强度分布。 任务是找到能够实现我们两个目标的DOE OPD目标。 首先,让我们将第二个透镜的两边保持为平面。 这是优化MACro:
}Gf9.ACQ  
    PANT      ! Start of variable parameter definitions. )dh_eqnX  
    RDR .001     ! This is a very small beam, so use smaller derivative increments to start with VY Um%$TGw5  
    2 RAD $97EeE:{M  
    VLIST TH 3  ! Vary the airspace 2A&Y})D  
    VY 3 G 26     ! Vary term Y**2, B%(-UTQf  
    VY 3 G 27     ! Y**4, rO[ Zx'a  
    VY 3 G 28     ! and Y**6 %X -G(Z  
'*=kt  
    VY 4 G 26     ! Do the same at surface 4 s;W1YN  
    VY 4 G 27 GUcGu5tw:  
    VY 4 G 28 Z Tzh[2u*  
dV7~C@k6k8  
    END  j|owU  
!SAR/sdXf  
    AANT           ! Start of merit function definition kWZ/O  
    AEC Z(c2F]  
    ACC aTFT'(O,  
    LUL 150 1 1 A TOTL      ! Prevent the system from growing too large ~8tb^  
    M 5 1 A P YA 0 0 1 0 5     ! Ask for a beam radius of 5 mm on surface 5 'Ivr =-  
' }T6dS  
    M 0 1 A P FLUX 0 0 1 0 6 ! Ask for a flux falloff of zero at several zones T{4Ru6[  
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .98 0 6 Om5+j:YM  
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .97 0 6 JW9U&Bj{  
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .96 0 6 ;@s'JSPt  
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .95 0 6 ICm/9Onh&  
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .94 0 6 EZ)$lw/!J  
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .93 0 6 J_N`D+m  
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .92 0 6 XAb-K?)   
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .91 0 6 #G\;)pT  
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .85 0 6 hZ~ \Z S7  
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .8 0 6 8omk4 ;  
        M 0 1 A P FLUX 0 0 .7 0 6 ByivV2qd{  
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .5 0 6 ~T:L0||.%9  
    M 0 1 A P FLUX 0 0 .3 0 6 M D,+>kh  
    GSO 0 .1 10 P           ! Control the output ray OPD over an SFAN of 10 rays, aP`V  
    GSR 0 100 10 P          ! and some transverse aberrations too. CAtdx!  
    END                ! End of merit function definition. ^k}%k#)  
    SNAP =x-@-\m  
    SYNO 40
pa2cM%48  
Y~g*"J5j  
这个PANT文件改变了一些通用的G变量,我们在上一课中使用它来改变镜头元件上的一些非球面系数项。 但在这种情况下,表面已经被定义为USS类型16,这是一个简单的DOE表面,因此这些选项改变了定义该形状的系数。 (键入HELP USS以了解您可用的形状以及G系数如何应用于它们。) DcX,o*ec!  
我们运行这个宏,镜头看起来很有希望。 所以我们再次运行它然后模拟退火几个周期。
/2fQM_ ,P  
结果变得更好了。 我们尝试改变一些高阶系数。 我们在两个DOE上添加新系数,最高为G 31,即Y ** 12系数。 重新优化后,镜头看起来大致相同,但评价函数下降到3.13E-7。 看起来结果收敛了! -Ou@T#h"  
光通量如何随孔径变化? 我们输入命令
ZuVes?&j  
    FLUX 100 P 6
3-U@==:T  
+?y9EZB%  
并得到一条美丽的曲线,几乎是直的,显示在左下方。 ]`u_d}`  
这确实是一个很好的设计。 现在的问题是,可以被加工吗? 表面4的空间频率是多少? 如果它太高,制造技术可能会遇到麻烦。 我们打开MMA对话框以选择MAP命令的输入。 我们选择一个HSFREQ over PUPIL的图,对象为POINT 0,而raygrid CREC的网格为7,DIGITAL输出和PLOT。 结果显示在镜片边缘右侧,下方的频率为99.43 c / mm。
M'}iIO`L  
10微米/周期,这是可以制作的,但不容易被加工。 我们可以减少到50 c / mm吗? 我们将变量5 RAD添加到变量列表中,并为AANT文件添加新的像差:
a6epew!2  
    M    50 .01 A P HSFREQ 0 0 1 0 4
MClvmv^  
[O\[,E"K  
程序现在控制表面4上的频率。我们重新优化,现在表面5略微凸起,4上的空间频率正好在50 c / mm。 光通量均匀性与以前一样好。 任务完成! b5Vn_;V*  
我们做得怎么样? 在光束重构之前,运行DPROP命令,检查曲面3处的轮廓。 这显示了该点处光束的高斯分布。
ctT6va  
    DPROP P 0 0 3 SURF 3 L RESAMPLE
K [M[0D  
rFU|oDF  
现在在表面上6做同样的事情。
AA~6r[*~  
DPROP P 0 0 6 SURF 3 L RESAMPLE
?)mM]2%%  
C ]+J  
下面是生成的系统的RLE文件,如果评估它,可以将其复制并粘贴到编辑器中:
V^E.9fs,  
    RLE p}9bZKyf  
    ID KINOFORM BEAM SHAPER !)+8:8H'  
     FNAME 'L13L1.RLE                                         ' <ecif_a=m  
     MERIT   0.270980E-05 +"F9yb  
     WA1 .6328000 0PT\/imgN  
     WT1 1.00000 k+`e0Jago  
     APS               1 %eQw\o,a  
     AFOCAL e sDd>W  
     UNITS MM |}2X|4&X  
     OBG   0.35000000       1.0000000 VtzX I2.2  
    0    AIR ;.|).y1/`  
    1    CV      0.0000000000000   TH     22.00000000 AIR _NkbB"+L  
    2    RAD     -0.8227781050995   TH      2.00000000 tZqy \_G  
       2 N1 1.79881710 uwhb-.w  
       2 CTE   0.810000E-05 6y}|IhX?z  
    2    GTB S    'SF6             ' a@}A;y'd  
    3    CV      0.0000000000000   TH     74.00214849 AIR ZINqIfc  
       3 USS  16 HL34pmc  
     CWAV        0.632800 _7Rp.)[&  
     HIN        1.798800       55.000000 xji2#S%  
       RNORM    1.00000 a^QyYX}\qR  
       3 XDD  1   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 t8\XO j  
       3 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 *9I/h~I  
       3 XDD  3   2.6875641E+02  5.7065730E+01 -4.1566734E+01  2.8677115E+01 -1.6241740E+01 8nQjD<-  
    3    XDD  4   4.7211923E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 5*IfI+}  
    4    CV      0.0000000000000   TH      2.00000000 g}Esj"7  
       4 N1 1.79881710 ZA Xw=O5  
       4 CTE   0.810000E-05 Yk!TQY4  
       4 GTB S    'SF6             ' T~JE.Y3B3  
       4 USS  16 w|0w<K  
     CWAV        0.632800 [(PD2GO+  
     HIN        1.798800       55.000000 ^;gwD4(hs  
       RNORM    1.00000 1Kc[ ).O1  
       4 XDD  1   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 ~T'Ri=  
       4 XDD  2   0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 0Z<&M|G  
       4 XDD  3   5.6803879E+00 -9.1936550E-03  6.0997390E-04 -5.7203063E-05  2.2090382E-06 Qkq9oZ  
    4    XDD  4  -3.5824860E-08  0.0000000E+00  0.0000000E+00  0.0000000E+00 mH\eJ  
    5    RAD   -159.6274584523634   TH     50.00000000 AIR >4@/x{{  
    6    CV      0.0000000000000   TH      0.00000000 AIR fBRU4q=^T  
    7    CV      0.0000000000000   TH      0.00000000 AIR  END

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