SYNOPSYS 光学设计软件课程十一 球形激光光束整形器

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1、激光器的输出具有非均匀的高斯强度分布，并且对于某些应用，人们希望使其均匀分布。这 是激光束整形器的工作需求。处理办法：这项工作可以通过多种方式完成。对于具有球面的简单透镜，它需要以重新分布光的方式平 衡大量的球差，降低光束中心处的能量密度，同时在边缘附近增加光束。使用非球面表面更 容易，其中人们可以更好地控制要引入的像差量，如果使用衍射光学元件，则更容易控制。 问题是后者比球面镜片贵得多，所以我们要明白我们想要一个什么样的结果。考虑到这一点，我们将尝试一种全部使用球面透镜的方法，以确定我们可以制作光束的均匀 程度以及我们需要多少元件。让我们从一个非常简单的结构开始。将腰半径为0.35mm的He

2、Ne激光器转换成直径为10mm且均匀至10%以内的光束。这是我们输入的初始结构：RLE! Beginning of lens input file. ID LASER BEAM SHAPERWA1 .6328! Single wavelengthUNI MM! Lens is in millimetersOBG .35 2! Gaussian obxxxxject; waist radius -.35 mm; define fullaperture as 2 * 1/e*2 point.1 TH 22! Surface 2 is 22 mm from the waist.2 RD -5 TH

3、2 GTB S ! Guess some reasonable lens parameters; use glass typeSF6 from Schott catalogSF63 UMC 0.3 YMT 5! Solve for the curvature of surface 3 so the marginal rayhas an angle of 0.3! find spacing so ray height is 5 mm on next surface4 RD 20 TH 4 PIN 2! Guesses for surface 45 UMC 0 TH 50! Solve for c

4、urvature of 5 so beam is collimated.7! Surfaces 6 and 7 existAFOCAL! because they are required for AFOCAL output.（这个系统处于AFOCAL模式，这意味着输出将被准直。但是如果图像处于无限远处，横向 像差是没有意义的，因此程序将它们转换为角度像差，不需要“完美透镜”。但程序需要最 后两个虚拟表面，它在那里进行平移，这里是表面6和7. ）首先，让我们检查一下能量密度如何从孔径的中心下降到边缘。 有三种方法可以做到这一点 最简单的是使用FLUX命令：FLUX 100 P 3此输入将显示表

5、面3上的光通量，显示预期的衰减：FLUX INTENSITYFlIJK AS A FUNGT K) N Or RELATIVE flFERT URE. ON SURFACE 3THE A?LStS ASSUh?ES R0TATKDNAL SYMMETRYc ezzsctnEWTIVEPEKTynEa 吕邑口 呂 DTD I 0 寻Id4343SYKorara11-MAR-17 09划腐ID LASER BEAM SHWERGAUSSIAKIHEAMIW1*- Q.3SBWIMI RBS - G.OM AX- fl.3OT另一种方法使用FLUX像差。此列表为您提供了更大的灵活性，因为您可以自己指

6、定孔径和 视场点。使用以下命令创建MACro。（注意DD的符号定义）：DD: DO MACRO FOR AIP = -1 TO 1POSITE ! Ready a posite definition.CD1 P FLUX 0 0 AIP 0 3 ! posite data number 1 is the flux at a relative Y- coordinate of AIP! (defined later) on surface 3.= CD1Z1 = FILE 1= 1 + Z1ORD = FILE 1运行此MACro 次，然后输入STEPS = 100然后输入DD。程序将AIP的值

7、从-1循环到1 ，并绘制光通量密度。让我解释一下。 CD1 P FLUX计算表面3处AIP区域(环变量)的光通量衰减=CD1是一个等式，其 结果自动放在FILE位置1。Z1= FILE 1获取该值并将其置于变量Z1中。二1 + Z1为结 果添加1.0o这是总通量，因为Z1是衰减。ORD二FILE 1获取此值并将其用于绘图的纵 坐标，其横坐标为循环变量AIPo这是图：SYNOPSYS Parametric PLOTCQhPDSlTE VERSUS A FrafTKarAS Aferamefer yRES FMM -I KmT l.ffiOOftFaramffler0SQ0- L 吕吕wci D

8、吕园 D aaoa-d 呂口员L1J1 一口CJ4341SYNQPSYS11-MAR-17 C0S7：32ID LASES BEAM SiWE RENDGALKSIAMEEAMJ：- 0.3SKWM SBS- 2.0000ftX- a.3SOO再次，您可以看到高斯光通量曲线，根据OBG定义评估为1 / e * 2点的两倍。（第三种 方式使用DPROP衍射传播特征。设置和运行更复杂，但考虑到光束的衍射，其他两个则不 然。）本课程的目的是使光通量尽可能均匀，目标是在孔径上改变10。 在这里，我们简单地猜测了一些起始透镜尺寸，但我们已经看到了一个解决方案的暗示：注 意边缘光线如何朝向轴会聚，而中心光

9、线更准直。能量确实会比以前更集中在边缘，这是向 正确方向迈出的一步 - 但我们也希望整个光束准直，所以我们需要一种方法来拉直光线。这 更难。两个元件不足以实现目标，使用Worksheet再添加两个镜片。点击工作表”按钮，al 然后单击工作表”工具栏中的“插入元件”按钮 Al 。然后在PAD显示中单击轴，在表面右侧添加一个镜片。再向右侧再做一次相同的操作。现在系统看起来像这样：我们将尝试优化这个系统，但首先让我们创建一个Checkpoint，这样如果事情不能按照我 们的希望工作，我们可以立即返回。单击检查点”按钮MISSING IMAGE:,。我们设置一个优化MACro，看看我们是否可以解决问题

10、。CHGNOP9 UMCENDPANT! Start of variable parameter definitions.VLIST RAD ALL! Vary all radii.VLIST TH 3 5 6 7 8 on those elements).END! Vary the airspaces and two thicknesses (so AEC worksAANT! Start of merit function definitionAECACCLUL 100 1 1 A TOTL ! Prevent the system from growing too large; assi

11、gn upper-limit of 150 on TOTL.M 5 10 A P YA 0 0 1 0 9! Ask for a beam radius of 5 mm on surfaces 9 and 10M 5 10 A P YA 0 0 1 0 10M 0 1 A P FLUX 0 0 1 0 10 ! Ask for a flux falloff of zero at several zones on 10M 0 1 A P FLUX 0 0 .980 10M01APFLUX00.97010M01APFLUX00.96010M01APFLUX00.95010M01APFLUX00.9

12、4010M01APFLUX00.93010M01APFLUX00.92010M01APFLUX00.91010M01APFLUX00.85010M01APFLUX00.8010M01APFLUX00.7010M01APFLUX00.5010M01APFLUX00.3010GSO 0 1 5 P! Control the output ray OPD over an SFAN of 5 rays.END ! End of merit function definition.SNAPSYNO 100运行此MACro，透镜现在看起来像这样（您的结果可能会有所不同，因为您单击插入元件的确切位置是不可预

13、测的。）为了确定情况是否有所改善，我们需要再次评估光通量均匀性。输入FLUX 100 P 10.光通 量没有改善。FLUX INTENSITYFLUK AS ft FU MGTDN Or RHAT WE WERT URE, QM SURFACE 10WA.IBJENC-T-H C CZSO：T Hts A Worsts ASSUkES ROTATDSJL SYMMETRY口吕盗D 吕 DTD BioMm4STHPSnID LASES BEAM SHNPERBAIJSSIAWBEAM!1- Q.3SKMIMI FES- 2-OMl1- 0.3M还没有达到我们想要的结果。请记住我们定义了高斯光源，

14、使“全孔径”是1 / e * 2点的两倍。这意味着我们正在尝试 重新分配能量，因此外缘与中心一样明亮。也许这要求过高了。让我们再次恢复检查点并 再次编辑。在工作表中，在表面框中输入数字0，然后单击更新。该对象目前是OBG 0.35 2.将其更改为0BG .35 1并单击更新”。现在，全孔径”处于 1 / e * 2点，而不是之前的两倍。将其保存为新的检查点，再次运行最后一个MACro，并 模拟退火几个周期。OOQq- Qoeffid sod oood00口cioKrrHFLUX ftS A FUMCrriQN ar fLELATWE WERTUrLE, a N SUrLrAGE 10WAVE_

15、B*3TH O.&SiSOOA MYSE=偉 L f/ES 耳丁防(T 卫佔L YHhtTrLYQ.QQ.1QQ0Q Q2KXK1 4.3KXK1 CL杠XXXI a.KX)0Q Q 鬲KXK Q.7KXK) OSKIOQ QXffX 1.Q0KXIisazrumi22-KWY-17 1331：5StEJTVEA-tT-t-ID LASES SEAM SrWEGAUSSIAN SEAM： W0 Q.350QWIM rS- 1.0000做 0.3503现在光通量稍好一些。 我们提到在保持光线角度控制的同时使强度分布变均匀并不容易。 OPD 约为 0.35波长。这似乎与我们用四个镜片达到的效果一样

16、好。 如果我们再添加一些镜片会怎么样？ 让我们 从这个设计开始，再添加两个镜片。现在我们需要将新变量添加到PANT文件中;此外，由于评价函数指定了要评估某些数量的 表面编号，并且每当我们添加一个镜片时这个数字都会改变，我们可以通过将表面编号更改 为特殊符号LB1”来简化操作。由于透镜中的最高表面到15，因此该符号自动变为数字iai0L00xmddV10IAIiai08,00xmddV10IAIiai0S8,00xmddV10IAIiai01600xmddV10IAIiai0乙6,00xmddV10IAIiai06,00xmddV10IAIiai000xmddV10IAIiai0S6,00xmd

17、dV10IAIiai096,00xmddV10IAIiai0LG00xmddV10IAIiai086,00xmddV10IAIseuoz |ej9Aesje ojez jo 目0|内 xnp e J04 ”sv i0 I 010 0 xmdd V I 0 kNai 0 I 0 0 VA d V 01 S kN01 pue 6 seDepns uo iuiu s p snipej tueeq eoj |sy i 191 0 I 0 0 VA d V 01 S IAIe6引 ooj 6uimoj6 11104 luejsXs eqj jueAejj jTLO丄 Vll 001 imDDVD3Vuo

18、ijiuipp uoipun jueiu 40 peis i1NVVjipej lie Ajba isuoijiuipp jejeiuejed eiqeueA 40 jjbjs iON311V H 丄 1SI1Aiiv avy 丄 SI1/丄NVdON3DkNA EldONDHD工叫雲日NOS9 丑図U曉。古诲遂爭黝翱題尬隠硒古啓觀硼華叫雲舌孝早氓搦辜訝丑T塞畜皿丑险1zlM 0 1 A P FLUX 0 0 .3 0 LB1GSO 0 1 10 P ! Control the output ray OPD over an SFAN of 5 rays. GSR 0 50 10 PEND! E

19、nd of merit function definition.SNAPSYNO 40我们运行这个MACro，然后单击模拟退火按钮也_1。我们输入约50的起始温度并选择Quiet选项以加快速度。经过多次模拟退火后，透镜结构如下:（当你自己运行这些工作时，由于模拟退火过程的随机性，答案通常会有所不同。但通常质量会相似。）并且光通量将在我们的10均匀性目标内。FLUK AS A FUMCTDM Or rElATME APERTUrE. OM SUrlrACE 10THE A WMVS IS ASSUMES OTATOkL SY kflETKVWAVE_EN&TH O.SiSKi0300_000-0

20、_000-0_00? 0_口口园0OC 1111111111a.o o.ichh 口jaxn a.3tma c.iaooa a.5oaoa a.sxK)a 口Ttnoa Q.axn ojaoooa i.oqodo rsEUATWE WPEKTUSEnimn22-HAY-17 13：37：11IDUSEREEAM SHAPERSAUSSIANSEA：- a.3500WM fS - 1.00031- 0.3500OPD 误差现在远低于一个波长。 似乎可以全部使用球面元件完成这项工作，但需要六个镜 片。现在我们理解为什么人们通常会使用非球面或衍射元件来完成这种工作。因为可以使用更少 的镜片并得到更好

21、的性能，因此值得花费额外的制造成本。要完成本课程，让我们看一下系统中出现的光线模式。转到足迹对话框（MFP）,选择表面 1310x 刻度，并要求600 光线。 这是光线分布：FOOTPRINT ON SURFACE 13GERTIE尺宫T a .a aID USE R EEA詁 SHAFERSCALE 10.00900WAX/ELEMGTrl a.S33m4Sii4-n TJ JED Il 1.QOOO-G MMSYOPSYS11丽尺门 10:45:55这对光束整形器来说非常好; 光线更多地散布在中心附近并在边缘附近压缩，这正是使光束 更均匀的正确方法。现在我们将使用DPROP来评估最终的包络

22、。在这种设计中，光束从表面3开始向外扩展， 此后衍射不会发挥重要作用。所以我们可以运行DPROP，计算将是纯几何的。以下是运行DPROP所需的输入：CHG CFIX 1 TH 0 END DPROP P 0 0 13 SURF 3 R RESAMPLE在这里，我们将所有孔径更改为固定值，这在运行DPROP时建议使用，因为如果衍射在那 里发送少量的能量，那么该程序通常会检查比透镜允许的更大的区域。 固定孔径可防止这种 情况发生 表面13上的波前现在看起来像这样：DIFFRACTION INTENSITY PATTERNflURFACF NIJMEFR 1 宅FFAM An-O Wtl MM EfK- 1 tmtl Wt-RACTKJNALFaiD0.0 dID LA3EK EEAMI SiWER120尹ROPP0013SURF3R RESAMPLEAAVHEMGTH0632S0it linn为了用真实光线精确地为高斯光束建模，应该尽早扩展光束;那么衍射传播不再是一个问题。 在下一课中，我们将开发一个具有非球面表面的光束整形器，以说明这些非常有用的变量的 影响。本课程旨在向您展示您可以使用的一些工具，并说明需要注意的内容以及如何处理遇到困难。