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SYNOPSYS 光学设计软件课程四十六：一个激光二极管光束整形器

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课程四十六：一个激光二极管光束整形器

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°

X 方向的光束发散度: 19°

波长为0.403um

我们将使用 OBG 命令，它需要高斯束腰半径作为参数。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

RLE ID LASER DIODE BEAM CONVERTER UNI MM WA1 .403 OBG 0.0008644 1 .0003868 1 TH 20 2 END

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:

在命令窗口输入 BEAM 和 XBEAM

表面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 工具栏中的插入元件按钮。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上添加一个柱面透镜。在 WS 中，选择该表面，单击曲率对话框按钮，然后选择复曲面或柱面按钮，并给出 Y-Z 半径10毫米和 X-Z 半径0。单击 OK 按3钮并关闭对话框。

现在我们在表面3上有一个柱面，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，所以我们要求后焦厚度由3mm 增加到33mm。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。光束在表面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。

我们将在表面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 中选择该表面，然后再次打开曲率对话框。USS 选项如下

如下所示，你必须从一个平面开始改变一个 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 扩展 DOE，并单击确认和关闭按钮。

我们希望输出的光束是准直的，添加表面 7，并使系统设置为无焦。

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 设置一个光瞳波前图，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。在命令窗口输入 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。

RLE  ID LASER DIODE BEAM CONVERTER  2434 MERIT  0.202029E-04  LOG  2434  WA1 .4030000  WT1 1.00000  APS  1  AFOCAL XPXT  EPUPIL   UNITS MM  OBG 0.0008644  1. 0.0003868  0  AIR    1  CV  0.0000000000000  TH  9.14848864 AIR  2  CV  0.0868899628935  TH  1.00000000  2  GLM  1.60000000    50.00000000  3  CV  0.1150730958709  TH  30.13218529 AIR  3  TORIC  0.00000000      4  CV  0.0405917229030  TH  3.00000000  4 N1 1.62117979  4 GID 'GLM-NdVd  '  4  PIN  2  5 CV  0.0000000000000  TH  0.00000000 AIR  5  USS 25  CWAV  0.632800  HIN  1.500000  55.000000  RNORM  1.00000  5 XDD 1  1.2488956E+00 -3.3430350E-02 -4.8801165E-05  2.3986731E-06 -6.1541865E-08  5 XDD 2  5.6129758E-10  0.0000000E+00  0.0000000E+00 -5.9233478E+00 -4.6744410E-02  5 XDD  3  -3.7078023E-05 -2.2003760E-06  3.6721484E-08 -4.9776438E-10 0.0000000E+00  5 XDD 4  0.0000000E+00 -7.0629761E-02 -4.0279060E-05  5.1724603E-07 -6.0078137E-05  5 XDD 5  1.4720853E-06 -1.2222347E-08  0.0000000E+00  0.0000000E+00 0.0000000E+00  6 CV  0.0000000000000  TH  0.00000000 AIR  7 CV  0.0000000000000  TH  0.00000000 AIR END

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来源：武汉墨光