衍射透镜设计激光光束整形器 | SYNOPSYS 光学设计软件第75课

课程七十五：

衍射透镜设计激光光束整形器

   

1.概述

衍射透镜也被称为光学衍射元件,或者 DOE 类似于菲涅尔透镜, 有很多的倾斜的区块, 唯一不同的是区块的高度是通过计算得到的，用来让光线的相位变化刚好是一个波长或者是相位的一个周期。

初始宏文件

所以它像一个具有不均匀间距的圆形衍射光栅.因为它以布拉格角衍射，所以它的衍射效率很高。

2.1设计要求

下面是一个衍射透镜设计激光光束整形器的指标：

将最细直径为0.35 mm的氦氖激光束扩展成变动范围在10%以内的直径为 10 mm 的均匀激光束。只使用两个元件, 每个的一侧都有一个 DOE。

SYNOPSYS 初始结构搜索镜头文件和运行结果：

初始宏文件

以上展示部分命令，这其中，

OBG 的物是高斯光束.

DOEs 将会使用16号特殊表面形状建模,一个简单的 DOE.

得到的初始结构如下：

这是最初的设计，效果并不是十分理想

原因如下：

1.光束被扩大了但是并不准直。

2.而且强度分布仍然是输入的高斯光束的强度分布。

优化

DOEs , 就如同其他的非球面形状, 也是利用 G 变量来调整。

优化函数还包括绝大多数的 FLUX 像差, 控制着各个区域的衰减。

改变高阶项

应该怎样确定改变哪个 G 变量?

所有的一切只需要按几下按键.  输入

HELP USS

然后找到类型16。

优化结果

还能做得更好。接下来尝试改变高阶的系数，将变量选项添加到 G31, 即增加到12 项。

光通量

透镜看起来还是和原来一样，但是需要检查光通量的均匀性，输入 FLUX 100 P 6

得到了几乎是平直的一个漂亮的曲线,这是一个优秀的设计。但是可以加工吗?

如果空间频率太高，制造技术可能会出现问题。

打开 MMA对话框。

在 PUPIL上选择表面4的 HSFREQ分布。

Object point (物体坐标)设定为 0，

光线网络 CREC 设置为网格 7，

数字化输出，

绘制图表。

这是一个表面光栅的分布图。

边缘最大空间频率在在 100c/mm 左右。 这并不是很容易制造，能不能减小, 比如说到 50 c/mm?

在 PANT 文件中添加一个变量:

VY 5 RAD

然后再 AANT 文件加入一个新的像差:

M 50 .01 A P HSFREQ 0 0 1 0 4

优化后再次按之前的步骤查看光通量和光栅分布。

最后的优化宏文件

光通量

光栅分布

现在表面4上的边缘空间频率正好是 50 c/mm, 而且光通量均匀性就像原来一样的好。

镜片表面高斯光强分析

现在要运行衍射传播程序 DPROP , 来检查系统的强度分布.

DPROP P 0 0 3 SURF 3 L RESAMPLE

这个图显示了表面3上的高斯光束的强度分布, （在通过第二个DOE之前。）

它有着预期的高斯分布的形状。

现在对表面 6也进行相同的操作。

输入：

DPROP P 0 0 6 SURF 3 L RESAMPLE

非常均匀水平的光强分布。

DMASK 图像

这个是由 DMASK 3 GREY 1000 命令生成的图像。

如果 DOE 是通过光蚀刻制成的，这是要被成像到衬底上的底模。