一个激光二极管光束转换器

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:
Y方向的光束发散度: 8.5度
X方向的光束发散度: 19 度
波长为0.403 um
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。
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DIV = WAV(p) M2 / π WAIST No
WAIST = WAV(p) M2 / π DIV No 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ID LASER DIODE BEAM CONVERTER UNI MMWA1 .403OBG 0.0008644 1 .00038681 TH 202END
然后运行这个宏，你会得到一个结构简单初始结构

很容易看出光束在X方向上与在Y方向上的差异: SYNOPSYS AI>BEAMID LASER DIODE BEAM CONVERTER 2434 21-JUL-1813:43:50GAUSSIAN BEAM ANALYSISSURF BEAM RADIUS WAIST LOCATION WAIST RADIUS DIVERGENCE1 8.6440000E-04 -3.8714234E-16 8.6440000E-04 0.1484022 2.968045 -20.000000 8.6440000E-04 0.148402SYNOPSYS AI>XBEAMID LASER DIODE BEAM CONVERTER 2434 21-JUL-18 13:43:52GAUSSIAN BEAM ANALYSISSURF BEAM RADIUS WAIST LOCATION WAIST RADIUS DIVERGENCEBEAM ANALYSIS IS IN THE X-Z PLANE1 3.8680000E-04 -6.0536896E-16 3.8680000E-04 0.3316412 6.632828 -20.000000 3.8680000E-04 0.331641SYNOPSYS AI>
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。

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。

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。

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。

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。
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： PANTVY 2 RADVY 3 RADVY 3 TH ENDAANTM 33 1 A TH 3M 7 1 A P YA 0 0 1 0 4M 7 1 A P XA 0 1 0 0 4 ENDSNAP SYNO 10
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。

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。

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
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。

我们希望输出的光束是准直的，添加曲面 7，并使系统无焦。
建立一个新的MACro PANTVY 2 RDVY 3 RDVY 4 RDVY 3 THVY 5 G 16VY 5 G 17VY 5 G 18VY 5 G 19VY 5 G 20VY 5 G 21VY 5 G 24VY 5 G 25VY 5 G 26VY 5 G 27VY 5 G 28VY 5 G 29VY 5 G 32VY 5 G 33VY 5 G 34VY 5 G 35VY 5 G 36VY 5 G 37END AANTM 0 10 A P HH 0 0 1 0 5M 7.0 1 A P YA 0 0 1 0 5M 7.0 1 A P XA 0 1 0 0 5GNR 0 .1 9 PGNO 0 .1 9 P ENDSNAP SYNO 22
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:

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。

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。FLUX 20 P 6
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。
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。
我们这节课的宏如下所示。

RLEID LASER DIODE BEAM CONVERTER 2434 MERIT 0.202029E-04LOG 2434WA1 .4030000WT1 1.00000APS 1AFOCAL XPXTEPUPIL UNITS MMOBG 0.0008644 1. 0.00038680 AIR1 CV 0.0000000000000 TH 9.14848864 AIR2 CV 0.0868899628935 TH 1.000000002 GLM 1.60000000 50.000000003 CV 0.1150730958709 TH 30.13218529 AIR3 TORIC 0.000000004 CV 0.0405917229030 TH 3.000000004 N1 1.621179794 GID 'GLM-NdVd '4 PIN 25 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR5 USS 25CWAV 0.632800HIN 1.500000 55.000000RNORM 1.000005 XDD 1 1.2488956E+00 -3.3430350E-02 -4.8801165E-05 2.3986731E-06 -6.1541865E-085 XDD 2 5.6129758E-10 0.0000000E+00 0.0000000E+00 -5.9233478E+00 -4.6744410E-025 XDD 3 -3.7078023E-05 -2.2003760E-06 3.6721484E-08 -4.9776438E-10 0.0000000E+005 XDD 4 0.0000000E+00 -7.0629761E-02 -4.0279060E-05 5.1724603E-07 -6.0078137E-055 XDD 5 1.4720853E-06 -1.2222347E-08 0.0000000E+00 0.0000000E+00 0.0000000E+006 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR7 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR END

lusiyu	2019-08-02 14:21
谢谢分享，不过有个小问题请教：非旋转对称的kinoform曲面实际工程中会用到吗？比如会不会有加工难度高，成本等原因。谢谢。

小火龙果

2019-08-12 10:44

非旋转对称的光学自由曲面的加工远比普通光学球面和光学非球面加工困难，传统的基于手工的加工方法效率很低、加工精度无法保证，而且加工品种受限，这些都大大地限制了光学自由曲面的广泛应用。自由曲面光学元件的制造非常困难，这大大限制了它的应用范围。传统自由曲面镜的加工方法是：
先将镜体加工成最接近自由曲面，然后反复利用刀口仪判读衍射图进行面形检测，并根据误差分布情况通过人工修刮模盘作局部研抛，逐步加工成所需要的自由曲面面型。人工修磨的特点是要求加工者具有丰富的实践经验和良好的心理素质，但即使是十分有经验的加工者也难免会失误，造成“磨削过量，大大影响了加工效率。因此人工方法对操作人员的技术素质和悟性要求很高，加工周期长，加工过程不能定量化描述，工件质量难以控制。显然，人工加工方法已经不能适应现代工业技术的发展需要。目前主要有以下几种加工方法：磨削、飞刀铣削等。磨削和飞切旋转刀具、平移刀具或工件三个轴切削工件，这些加工方法可以得到非常高精度的加工表面，但需要非常长的加工时间以及调整困难。另外一种加工方法是快速刀具伺服FTS技术（Fast Tool Servo），但是大部分FTS系统最大行程范围不超过1mm，只能加工特定小矢高的零件。为了扩展自由曲面的加工范围，出现了慢速拖板伺服S技术（Slow Slide Servo）等。

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