SYNOPSYS 光学设计软件课程十三：带有Kinoform镜头的激光扩束器
Rrry;H r
K n1; =k
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）。 tF-l=ph}`
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。 F5YoEWS
这是我们初始的输入文件： u&S0
RLE ! Beginning of lens input file. 。 8'zl\:@N
ID KINOFORM BEAM SHAPER /ivVqOo
WA1 .6328 ! Single wavelength ak_y:O|
UNI MM ! Lens is in millimeters >0ZG&W9
OBG .35 1 ! Gaussian object; waist radius -.35 mm; define full aperture = 1/e**2 point. 'a JE+
1 TH 22 ! Surface 2 is 22 mm from the waist . n.'Ps+G(
2 RD -2 TH 2 GTB S ! Guess some reasonable lens parameters; use glass type SF6 from Schott catalog L"dN
$ A
SF6 W<#!H e
3 TH 20 ! Surface 3 is a kinoform on side 2 of the first element =8`KGeP$
3 USS 16 ! Defined as Unusual Surface Shape 16 (simple DOE) _oG%bNM
CWAV .6328 ! Zones are defined as one wave phase change at this wavelengt '&,p>aM
HIN 1.7988 55 ! Assume the zones are machined into the lens. You can also apply ! a film of a different index. Da8gOZ
RNORM 1 wzx V)1jT
6la'\l#
4 TH 2 GTB S N;-%:nC
SF6 MbInXv$q2/
4 USS 16 6QT&{|q=
CWAV .6328 Cc{{9Ud
HIN 1.7988 55 >m;nt}f'+
RNORM 1 (2Lmu[
! The first side of the second element is also a DOE MS#*3Md&y
5 CV 0 TH 50 ! Start with a flat surface 1twpOZ>
7 ! Surfaces 6 and 7 exist -eh .Tk
AFOCAL ! because they are required for AFOCAL output. )i:*r8*~
END ! End of lens input file. Ths~8{dMb
S!$S'{f<
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： 6qTMHRI
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： v,QvCozOz
PANT ! Start of variable parameter definitions. "HqmS
RDR .001 ! This is a very small beam, so use smaller derivative increments to start with VY j-**\.4a~
2 RAD 3ww\Z8UeK
VLIST TH 3 ! Vary the airspace z(% tu
VY 3 G 26 ! Vary term Y**2, Btzes.
VY 3 G 27 ! Y**4, ?<N} Xh
VY 3 G 28 ! and Y**6 (*6 .-Xn
J|
wk})?
VY 4 G 26 ! Do the same at surface 4 hPz=Ec<zW
VY 4 G 27 . IY@Q
VY 4 G 28 V KYljY0#
CC3 i@
END )h0>e9z>Y
"mE/t (
AANT ! Start of merit function definition CFW Hih
AEC 4 Cd5-I
ACC k1yqe rA
LUL 150 1 1 A TOTL ! Prevent the system from growing too large 3[_WTwX0
M 5 1 A P YA 0 0 1 0 5 ! Ask for a beam radius of 5 mm on surface 5 eE
.wnn
3$P
M 0 1 A P FLUX 0 0 1 0 6 ! Ask for a flux falloff of zero at several zones &XI9%h9|
M 0 1 A P FLUX 0 0 .98 0 6 :XAyMK7
M 0 1 A P FLUX 0 0 .97 0 6 o(?9vU
M 0 1 A P FLUX 0 0 .96 0 6 [) >Yp-n
M 0 1 A P FLUX 0 0 .95 0 6 ?,v&
o>*
M 0 1 A P FLUX 0 0 .94 0 6 r
20!
M 0 1 A P FLUX 0 0 .93 0 6 + 0*\q
M 0 1 A P FLUX 0 0 .92 0 6 Dmy=_j?ej
M 0 1 A P FLUX 0 0 .91 0 6 kiyKL:6D|
M 0 1 A P FLUX 0 0 .85 0 6 ^q& Rl\
M 0 1 A P FLUX 0 0 .8 0 6 iumwhb
M 0 1 A P FLUX 0 0 .7 0 6 bw/mF5AsW
M 0 1 A P FLUX 0 0 .5 0 6 Z{l`X#':
M 0 1 A P FLUX 0 0 .3 0 6 . bUmT !
GSO 0 .1 10 P ! Control the output ray OPD over an SFAN of 10 rays, lg
)xQV
GSR 0 100 10 P ! and some transverse aberrations too. ' CJ_&H R
END ! End of merit function definition. dD39? K/
SNAP ALO/{:l(
SYNO 40 >f^kp8`3{Y
EFI!b60mc
这个PANT文件改变了一些通用的G变量，我们在上一课中使用它来改变镜头元件上的一些非球面系数项。 但在这种情况下，表面已经被定义为USS类型16，这是一个简单的DOE表面，因此这些选项改变了定义该形状的系数。 （键入HELP USS以了解您可用的形状以及G系数如何应用于它们。） A-L)2.M
我们运行这个宏，镜头看起来很有希望。 所以我们再次运行它然后模拟退火几个周期。 seAEv0YWz
结果变得更好了。 我们尝试改变一些高阶系数。 我们在两个DOE上添加新系数，最高为G 31，即Y ** 12系数。 重新优化后，镜头看起来大致相同，但评价函数下降到3.13E-7。 看起来结果收敛了！ )
d'H&c3
光通量如何随孔径变化？ 我们输入命令 FxK!h.C.
FLUX 100 P 6 e&ZH 1^O
AE Wr rE
并得到一条美丽的曲线，几乎是直的，显示在左下方。 go6; _
这确实是一个很好的设计。 现在的问题是，可以被加工吗？ 表面4的空间频率是多少？ 如果它太高，制造技术可能会遇到麻烦。 我们打开MMA对话框以选择MAP命令的输入。 我们选择一个HSFREQ over PUPIL的图，对象为POINT 0，而raygrid CREC的网格为7，DIGITAL输出和PLOT。 结果显示在镜片边缘右侧，下方的频率为99.43 c / mm。 Oi~Dio_?
10微米/周期，这是可以制作的，但不容易被加工。 我们可以减少到50 c / mm吗？ 我们将变量5 RAD添加到变量列表中，并为AANT文件添加新的像差： p^w)@^f
M 50 .01 A P HSFREQ 0 0 1 0 4 3 @O/#CP+
0d:t=LKw)
程序现在控制表面4上的频率。我们重新优化，现在表面5略微凸起，4上的空间频率正好在50 c / mm。 光通量均匀性与以前一样好。 任务完成！ L_:~{jV
我们做得怎么样？ 在光束重构之前，运行DPROP命令，检查曲面3处的轮廓。 这显示了该点处光束的高斯分布。 T:K}mLSg
DPROP P 0 0 3 SURF 3 L RESAMPLE ume70ap}m
]Y->EME:W
现在在表面上6做同样的事情。 =I&BO[d
DPROP P 0 0 6 SURF 3 L RESAMPLE %$)Sz[=
+G!#
/u1
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： [GK## z'5
RLE "9 hD4R
ID KINOFORM BEAM SHAPER
!P=L0A`
FNAME 'L13L1.RLE ' V^n=@CZT9C
MERIT 0.270980E-05 +5R 8mbD!
WA1 .6328000 =1! .g"0
WT1 1.00000 l$HBYA\Qh
APS 1 q`z1 ht
nf
AFOCAL #if jQ7(:
UNITS MM ih75 C"
OBG 0.35000000 1.0000000 '@.Lg0`
0 AIR u9c^YC BM
1 CV 0.0000000000000 TH 22.00000000 AIR ~SA>$
2 RAD -0.8227781050995 TH 2.00000000 \oGU6h<
2 N1 1.79881710 9]G~i`QQ
2 CTE 0.810000E-05 E/1:4?1 S
2 GTB S 'SF6 ' ;8e}X6YU
3 CV 0.0000000000000 TH 74.00214849 AIR B
' d@ms
3 USS 16 4pcIH5)z
CWAV 0.632800 `8\" 3 S
HIN 1.798800 55.000000 Lew
2Z
RNORM 1.00000 UIIsgNca
3 XDD 1 0.0000000E+00 0.0000000E+00 0.0000000E+00 0.0000000E+00 0.0000000E+00 , :KJ({wM
3 XDD 2 0.0000000E+00 0.0000000E+00 0.0000000E+00 0.0000000E+00 0.0000000E+00 1Zo3K<*J
3 XDD 3 2.6875641E+02 5.7065730E+01 -4.1566734E+01 2.8677115E+01 -1.6241740E+01 C\{hN
3 XDD 4 4.7211923E+00 0.0000000E+00 0.0000000E+00 0.0000000E+00 n1R{[\ >1
4 CV 0.0000000000000 TH 2.00000000 R Eo{E
4 N1 1.79881710 37tJ6R6[
4 CTE 0.810000E-05 .]<iRf[\[
4 GTB S 'SF6 ' mL;oR 4{
4 USS 16 `tKs|GQf
CWAV 0.632800 ]D2 d=\
HIN 1.798800 55.000000 u-.nR}DM_
RNORM 1.00000 x @9rc,by
4 XDD 1 0.0000000E+00 0.0000000E+00 0.0000000E+00 0.0000000E+00 0.0000000E+00 q!5`9u6
4 XDD 2 0.0000000E+00 0.0000000E+00 0.0000000E+00 0.0000000E+00 0.0000000E+00 fp 3`O9+em
4 XDD 3 5.6803879E+00 -9.1936550E-03 6.0997390E-04 -5.7203063E-05 2.2090382E-06 F 6+4Yy+
4 XDD 4 -3.5824860E-08 0.0000000E+00 0.0000000E+00 0.0000000E+00 zY4y]k8D*
5 RAD -159.6274584523634 TH 50.00000000 AIR +^rt48${ y
6 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR ,^v_gc
7 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR END
|
