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optics1210 2019-01-24 14:56

SYNOPSYS 光学设计软件第46课：一个激光二极管光束转换器

T]er_n  
这节课将展示如何设计从一个激光二极管到一个圆形准直光束的光学转换器。我们从一个典型的激光二极管的规格开始，它在X方向和y方向上有不同的发散角，设计任务比较复杂。以下是我们的设计规格: + 6noQYe  
Y方向的光束发散度: 8.5度 RB\ Hl  
X方向的光束发散度: 19 度 8 x=J&d  
波长为0.403 um Zr(4Q9fDo  
我们将使用OBG命令，它需要高斯腰半径作为参数。首先我们要把发散角转换成半径值。 x3>ZO.Q  
在用户手册的3.1.2节中，我们了解到该程序利用公式将光束半径转换为发散角

&7\=J w7w  
DIV = WAV(p) M2 / π WAIST No
.j et0w  
!+UU[uM  
WAIST = WAV(p) M2 / π DIV No
D =+md  
      从这里我们得到了y方向的GWR = 0.0008644和x方向的GWR =0.0003868。现在我们创建RLE文件。在EE编辑器中键入RLE文件 }n Ea9h  
      ID LASER DIODE BEAM CONVERTER UNI MM ='W=  
      WA1 .403 hD> ]\u  
      OBG 0.0008644 1 .0003868 fMpxe(  
      1 TH 20 |~K 5]  
      2 Z Zs@P#]  
      END
%fT%,( w}t  
}}Zwdpo  
然后运行这个宏，你会得到一个结构简单初始结构
;\]& k  
很容易看出光束在X方向上与在Y方向上的差异:
N!PPL"5z  
      SYNOPSYS    AI>BEAM 1 5heLnei  
      ID LASER    DIODE BEAM CONVERTER    2434    21-JUL-18 <<=.;`(/v  
      13:43:50 E ,kDy:  
>^=;b5I2K  
      GAUSSIAN BEAM ANALYSIS K N Y  
'iM#iA8  
      SURF    BEAM RADIUS    WAIST LOCATION    WAIST RADIUS    DIVERGENCE %nS(>X<B  
Z bW!c1s{  
      1    8.6440000E-04 -3.8714234E-16    8.6440000E-04    0.148402 [S~/lm  
      2    2.968045    -20.000000    8.6440000E-04    0.148402 +Rj8 "p$K  
      SYNOPSYS AI>XBEAM U F&B7r  
      ID LASER DIODE BEAM CONVERTER    2434    21-JUL-18 13:43:52 v~*Co}0OB  
q"48U.}T  
      GAUSSIAN BEAM ANALYSIS A=Y A#0  
AqA.,;G  
      SURF    BEAM RADIUS    WAIST LOCATION    WAIST RADIUS    DIVERGENCE /Hs\`Kg"!  
cMfJq}C<  
      BEAM    ANALYSIS IS IN THE X-Z PLANE .9u0WP95  
      1    3.8680000E-04 -6.0536896E-16    3.8680000E-04    0.331641 9xN`  
      2    6.632828    -20.000000    3.8680000E-04    0.331641 <(!~s><.  
      SYNOPSYS AI>
<e?1&56  
KqL+R$??"(  
曲面2上的GBR在Y方向上比在x方向上小得多，我们的第一个任务是把这个差异消除掉。我们需要在光束的中心插入一个透镜。在工作表中，制作一个检查点，然后单击WS工具栏中的Insert Element按钮。然后点击PAD显示器靠近中心的位置，程序将在该位置添加一个镜片。
1gA^Qv~?  
我们来看看光束输出的形状。输入MPE，选择旋转透视选项，并在光束边缘显示一个圆形图案，用红色表示。然后单击执行。
&At9@  
旋转显示器，你会看到X轴上的光束比Y轴上的光束要大得多。
qEvbKy}  
纠正这个问题，需要在表面3上添加一个圆柱体透镜。在WS中，选择该曲面，单击曲率对话框按钮，然后选择Toric或柱面按钮，并给出Y-Z半径10毫米和X-Z半径0。单击OK按钮并关闭对话框。
c W1`[b  
现在我们在表面3上有一个圆柱体，但是我们必须调整它的参数，使表面4上的光束半径在X方向和y方向上相同。 34 '[O  
创建一个新的宏。我们不希望光束太陡，所以我们要求镜片厚度由3毫米增加到33毫米。宏如下：
zH13 ~\  
      PANT A-eRL`  
      VY 2 RAD { v  [  
      VY 3 RAD N79?s)l:K  
      VY 3 TH END j5gL 67B  
z j F'CY  
      AANT )Z*nm<=  
      M 33 1 A TH 3 M?d(-en  
      M 7 1 A P YA 0 0 1 0 4 *`_ 2uBz  
      M 7 1 A P XA 0 1 0 0 4 END S l`F`  
:caXQ)  
      SNAP SYNO 10
k|^YYi= xF  
O@>ZYA%  
运行这个宏之后，将创建一个新的RPER绘图。光束在位置4确实是圆形的。
to{7B7t>q  
但它还没有像我们希望的那样进行准直。在WS末尾添加另一个镜片。
|})v, o B  
我们将在曲面5上，使用非旋转对称的kinoform曲面，形状为USS 25。创建一个检查点，在WS中选择该曲面，然后再次打开曲率对话框。USS选项如下 NI:3hfs  
如下灰面上的箭头所示，你必须从一个平坦的表面开始改变一个USS形状。点击平面按钮，然后点击USS按钮。当一个新的对话框打开时，选择类型25 Extended DOE，并单击OK和Close按钮。
JA$RY  
我们希望输出的光束是准直的，添加曲面 7，并使系统无焦。 qoP /` Y6  
建立一个新的MACro
5^97#;Q;J"  
      PANT nh]HEG0CZJ  
      VY 2 RD >qU5(M_&L  
      VY 3 RD M1q_gHA  
      VY 4 RD ydTd.`  
      VY 3 TH 7.*Mmx~]=  
q`|rS6  
      VY 5 G 16 =p[a Cb i  
      VY 5 G 17 c 'rn8Jo}  
      VY 5 G 18 7lx]`u>  
      VY 5 G 19 tH(g;flO)  
      VY 5 G 20 ]P96-x  
      VY 5 G 21 48,uO !  
2BO&OX|X  
      VY 5 G 24 9DmFa5E  
      VY 5 G 25 U/A [al  
      VY 5 G 26 n}dLfg *  
      VY 5 G 27 ,FwJ0V  
      VY 5 G 28 $=5kn>[_Z%  
\b}%A&Ij  
      VY 5 G 29 LvCX(yjZ*  
T|2v1Vj  
      VY 5 G 32 RB9ZaL\  
      VY 5 G 33 ( e#f  
      VY 5 G 34 s~m]>^?8MR  
      VY 5 G 35 RBLOc$2  
      VY 5 G 36 6!C>J#T  
      VY 5 G 37  6lL^/$]  
&Z(6i}f,Gp  
      END AANT 6MpV ,2:>  
      M 0 10 A P HH 0 0 1 0 5 0$_WIk  
      M 7.0 1 A P YA 0 0 1 0 5 2;x+#D8  
      M 7.0 1 A P XA 0 1 0 0 5 .;)V;!  
eVzZfB-=4}  
      GNR 0 .1 9 P :_h#A }8Xd  
      GNO 0 .1 9 P END 2AW*PDncxP  
      SNAP SYNO 22
p~v0pi  
(3Z;c_N  
这将改变新DOE的系数，在X方向和Y方向上保持光束半径等于7mm，要求边缘光线出射角为零，并纠正横向色差和OPD像差。这个过程收敛得很好——但是第2个镜片太薄了，所以将厚度增加到3mm，并再次运行优化。以下是我们的设计:
dwouw*8  
输入MDI设置一个瞳孔图，按0.1波长/英寸的比例画图。结果显示误差小于1/10波。
!8YA1 o  
我们还没考虑过强度衰减问题。这是一个激光二极管，我们假设强度分布是高斯的。让我们检查一下光通量。
qFI19`?8E  
FLUX 20 P 6
?aguAqG$  
pM~-o?  
光通量的下降完全符合我们的预期。现在我们需要解决照度均匀的问题。 "-Pz2QJY  
但是我们在第13课中解决过这个问题，所以我们让学习者自己去操作完成后面的练习。 /i{V21(%  
我们这节课的宏如下所示。
wlEK"kKU  
      RLE ,'n`]@0?\  
      ID LASER DIODE BEAM CONVERTER    2434 MERIT    0.202029E-04 !AG {`[b  
      LOG    2434 @SI,V8i  
      WA1 .4030000 X%T%N;P  
      WT1 1.00000 +i[vJRLxl~  
      APS    1 tNQACM8F;  
      AFOCAL XPXT dl(!{tZ#  
Ph)>;jU  
      EPUPIL UNITS MM g""Ep  
      OBG 0.0008644  1. 0.0003868 iz0:  
8~F?%!X  
      0    AIR     TiR00#b  
      1    CV    0.0000000000000    TH    9.14848864 AIR A1*\ \[  
      2    CV    0.0868899628935    TH    1.00000000 i v.G  
      2    GLM    1.60000000        50.00000000 ^v+p@k  
      3    CV    0.1150730958709    TH    30.13218529 AIR G_M8? G0  
      3    TORIC    0.00000000         <*9(m  
      4    CV    0.0405917229030    TH    3.00000000 5?0~7^de  
      4 N1 1.62117979 cdN=HM~I  
      4 GID 'GLM-NdVd    ' G=LK irj(  
      4    PIN    2 xW7[VTXc^  
      5 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR z0%tBgqY(  
      5    USS 25 ;0`IFtz  
      CWAV    0.632800 vOq N=bp  
      HIN    1.500000    55.000000 SXC 7LJm<g  
      RNORM    1.00000 x<7?  
      5 XDD 1    1.2488956E+00 -3.3430350E-02 -4.8801165E-05  2.3986731E-06 -6.1541865E-08 l&5Tft  
      5 XDD 2    5.6129758E-10  0.0000000E+00  0.0000000E+00 -5.9233478E+00 -4.6744410E-02 s~ou$!|  
      5 XDD  3  -3.7078023E-05 -2.2003760E-06  3.6721484E-08 -4.9776438E-10 0.0000000E+00 M@Ti$=  
      5 XDD 4    0.0000000E+00 -7.0629761E-02 -4.0279060E-05  5.1724603E-07 -6.0078137E-05 p K ^$^*#  
      5 XDD 5    1.4720853E-06 -1.2222347E-08  0.0000000E+00  0.0000000E+00 0.0000000E+00 Y[W:Zhl;  
      6 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR N( f0,  
      7 CV    0.0000000000000    TH    0.00000000 AIR END
4K 8(H9(  
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