高数值孔径衍射分束器设计

关键词：衍射光学元件、DOE、高数值孔径，畸变补偿，几何畸变，枕形，桶形，强度衰减，功率、陡降、损耗、预备信号场、光图形、迭代傅里叶变换算法、IFTA、模组、分束器、衍射

1. 摘要

 通过该案例阐述了如何利用迭代傅里叶变换算法进行高数值孔径衍射分束器设计。
 通过来分束器可以生成一个5x5规则的点阵图形。
 然而，由于偏转角较大使得目标平面上这个规则的5x5点阵图案产生了一个形变。
 可以利用VirtualLab 模块 Mod014 在迭代傅里叶变换算法设计中预补偿该图形的形变。

2. 设计任务：规则的5×5光束分束器

 设计衍射分束器用于在衍射元件远场生成规则的高数值孔径光图形。
 最大衍射角(水平/竖直)：α=β=22.3°
 最大衍射角(对角线)=30.1°

3. 设计任务

 光源参数：
— 高斯光源波长：532nm
— 光束直径(1/e2)：80um
 系统参数：
— 衍射元件到屏幕距离：z=0.3m
 期望输出场：
— 期望点图形：规则图形，5×5的点阵
— 级次间距：49.2mm
— 目标图案依据示例文件
“Sc386_TargetPattern_1.ca2”
 DOE参数：
— 仅改变位相的衍射光学元件
— 离散DOE的位相阶数：4

4. 点图形的变形

 衍射元件通常是在等间距的计算网格上利用角谱域的迭代傅里叶变换算法完成设计。
 对于非近轴衍射元件，衍射角和光轴上点的横向距离之间没有线性关系。
 对于非近轴衍射角，期望点位置与最终获得枕形畸变的点位置之间存在一个的差异。(下图所示为傅里叶迭代算法设计结果，该结果未经设计目标图形的预补偿处理)。

5. 生成预补偿设计信号 I

 为预补偿IFTA设计结果中的枕形畸变，利用模块Mod014使IFTA文件的“期望的目标输出"信号变形。
 模块Mod014根据目标平面上的空间光强分布计算波数域上的角光强分布。
 因此，IFTA设计必须在角谱域上执行。

6. 生成预补偿设计信号 II

1 载入目标图形
“Sc386_TargetPattern_1.ca2”
2 执行模块Mod014。
3 选择预补偿目标图案。
4 选择“分束器“。
5 使用功率校正。
6 输入校正采样距离
(数值可在IFTA文件中找到，如果使用角坐标则不可用)。

7. 模块预补偿结果

8. 功率校正的影响
 除了枕形畸变，还有一个附加的强度调制。
 强度被调至大约1/R²，此处R为点到光轴的距离
 如果在Mod014中功率校正可用，则这个强度调制可以被补偿(见右图)

9. 定义IFTA文件中的DTP

生成的预补偿目标图形作为IFTA优化文件中的期望输出场。

10. 匹配探测器建议

 应该注意的是，由于非近轴设计，VirtualScreen上的光视图并不再是于评价衍射元件光学质量的理想探测器。
 相反，辐照度探测器更适用于该案例。

11. 最终结果

 最终给出的IFTA优化文件在“Sc386_IFTAPrecompDTP_2.dp”中。
 通过运行IFTA文件，获得最终设计结果。并在光路图“Sc386_FinalResult_3.lpd”中给出。
 下方的图为带有预补偿DTP的IFTA结果，上方的图为没有预补偿DTP的IFTA结果。

12. 总结

 VirtualLab Fusion 可用于设计高数值孔径衍射分束器和扩散器
 模块Mod014可用于补偿产生的点图变形和强度调制。
 值得注意的是，余下的强度调制是由于利用IFTA设计的最终衍射元件存在的一致性误差导致的。
 此外，高数值孔径分束器衍射元件的特征尺寸是波长量级。因此我们推荐使用傅里叶模态法(FMM)对此案例中所获得的结构进行一个严格的分析和更进一步的优化。详细信息可查阅案例570。

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