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    [原創(chuàng)]SYNOPSYS 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件課程十二:非球面激光光束整形器 [復(fù)制鏈接]

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    只看樓主 倒序閱讀 樓主  發(fā)表于: 2018-09-05
    — 本帖被 cyqdesign 從 光學(xué)理論,設(shè)計(jì)與產(chǎn)業(yè)化 移動(dòng)到本區(qū)(2018-12-29) —

    在第11課中,我們設(shè)計(jì)了一個(gè)激光束整形器,以平整化小型HeNe激光器的高斯光束輪廓。 為了降低制造成本,我們嘗試用球面的設(shè)計(jì)來達(dá)到這個(gè)目標(biāo),因?yàn)樗确乔蛎娓菀字圃臁?使用一個(gè)六片透鏡設(shè)計(jì),這似乎符合我們的規(guī)格。 也許這種設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步改進(jìn),但我們也必須要考慮六片球面鏡是否比兩片非球面鏡更便宜。 如果不是,那么非球面設(shè)計(jì)看起來更具吸引力。

    讓我們使用和第11課中相同的雙透鏡結(jié)構(gòu)開始,進(jìn)行修改,以便我們只將光通量平坦化為1 / e ** 2點(diǎn)。 得到兩倍的孔徑似乎是不切實(shí)際的,需要需要再次優(yōu)化。 下面是初始結(jié)構(gòu)文件:

    RLE

    ID LASER BEAM SHAPER     ! Beginning of lens input file

    WA1 .6328               ! Single wavelength

    UNI MM               ! Lens is in millimeters

    OBG .35 1               ! Gaussian object; waist radius -.35 mm; define full aperture at the 1/e**2 point.

    1 TH 22                ! Surface 2 is 22 mm from the waist .

    2 RD -5 TH 2 GTB S

    SF6     ! Guess some reasonable lens parameters; use glass type SF6 from Schott catalog

    3 UMC 0.3 YMT 5          ! Solve for the curvature of surface 3 so the marginal ray has an angle of 0.3; find

    !spacing so ray height is 5 mm on next surface

    RD 20 TH 4 PIN 2          ! Guesses for surface 4

    UMC 0 TH 50           ! Solve for curvature of 5 so beam is collimated.

    7                    ! Surfaces 6 and 7 exist

    AFOCAL                       ! because they are required for AFOCAL output.

    END                    ! End of lens input file.

    優(yōu)化命令如下

        CHG

        NOP                  ! Be sure there are no pickups or solves. 確保沒有拾取或解決方案。

        4 PIN 2

        5 TH 10 UMC 0         ! move surface 6 before the caustic在焦散前移動(dòng)表面6

        END

        PANT                   ! Start of variable parameter definition. 開始定義變量參數(shù)

        VLIST RAD 2 3 4 5   ! Vary four radii. 四個(gè)半徑變化

        VLIST TH 3          ! Vary the central airspace. 改變中心的空氣間隔。

        VY 3 CC              ! Vary the conic constant on surface 3. 改變表面3上的圓錐常數(shù)

        VY 4 CC              ! And on surface 4. 改變表面4上的圓錐常數(shù)

        VY 3 G 3            ! Add three aspheric terms to surface3. 向表面3添加三個(gè)非球面項(xiàng)

        VY 3 G 6

        VY 3 G 10

        VY 4 G 3             ! And three to surface 4. 表面4也添加3個(gè)球面頂

        VY 4 G 6

        VY 4 G 10

        END

        AANT                   ! Start of merit function definition. 開始評價(jià)函數(shù)定義

        AEC                   ! Enable automatic edge feathering control. 啟用控制邊緣厚度

        ACC                   ! Enable automatic center thickness monitoring啟控制中心厚度

        ASC                   ! Enable automatic slope control, so curves don’t get too steep. 啟用自動(dòng)坡度控制,因此曲線不會太陡峭

        LUL 100 1 1 A TOTL  ! Limit the paraxial total length to no more than 150 mm. 限制近軸總長度不超過150毫米。

        M 5 100 A P YA 0 0 1 0 LB1

        M 5 100 A P YA 0 0 1 0 LB2 ! Assign a target of 5 mm to the marginal ray on surfaces 5, 6. 為表面5,6上的邊緣射線分配5 mm的目標(biāo)。

        M 0 1 A P FLUX 0 0 1 0 LB1 ! Target the flux difference between the marginal ray point and the on!axis point to 0 on surface 6. 瞄準(zhǔn)邊緣射線點(diǎn)和on之間的通量差!在表面上軸線指向0。

        M 0 1 A P FLUX 0 0 .99 0 LB1     ! Target the flux at the 0.99 aperture point. 將光通量定位在0.99孔徑點(diǎn)。

        M 0 1 A P FLUX 0 0 .98 0 LB1     ! And so on, for a set of zones. 等等,對于一組區(qū)域進(jìn)行設(shè)置。

        M 0 1 A P FLUX 0 0 .97 0 LB1

        M 0 1 A P FLUX 0 0 .96 0 LB1

        M 0 1 A P FLUX 0 0 .95 0 LB1

        M 0 1 A P FLUX 0 0 .94 0 LB1

        M 0 1 A P FLUX 0 0 .93 0 LB1

        M 0 1 A P FLUX 0 0 .92 0 LB1

        M 0 1 A P FLUX 0 0 .91 0 LB1

        M 0 1 A P FLUX 0 0 .9 0 LB1

        M 0 1 A P FLUX 0 0 .89 0 LB1

        M 0 1 A P FLUX 0 0 .88 0 LB1

        M 0 1 A P FLUX 0 0 .86 0 LB1

        M 0 1 A P FLUX 0 0 .84 0 LB1

        M 0 1 A P FLUX 0 0 .82 0 LB1

        M 0 1 A P FLUX 0 0 .8 0 LB1

        M 0 1 A P FLUX 0 0 .7 0 LB1

        M 0 1 A P FLUX 0 0 .5 0 LB1

        M 0 1 A P FLUX 0 0 .3 0 LB1

        GSO 0 .01 10 P          ! Target the OPD of an SFAN of 10 rays to zero, with a weight of .01將10條光線的SFAN的OPD定為零,權(quán)重為.01

        GSR 0 50 10 P           ! And also target the ray angles to zero. 并且還將光線角度定為零。

        END

        SNAP

        SYNO 50

    雖然這很簡單,但應(yīng)該指出:為什么GSR用于瞄準(zhǔn)光線角度?通常,GSR控制每條光線相對于主光線的實(shí)際X坐標(biāo) - 但由于此系統(tǒng)處于AFOCAL模式,輸出是準(zhǔn)直的,因此該案例將以輸出角度為目標(biāo)。

    如何指定光線和光通量目標(biāo)應(yīng)在表面6?這個(gè)系統(tǒng)共有七個(gè)表面,計(jì)算AFOCAL角度轉(zhuǎn)換所需的兩個(gè)虛擬面。助記符“LB1”表示“最后但只有一個(gè)”,并且在處理輸入時(shí)它被表面6替換。

    此處,選擇兩個(gè)表面上圓錐系數(shù)和三個(gè)非球面系數(shù)為變量。還有更高的系數(shù),這種形式的非球面有22個(gè)系數(shù)可用,但只有系數(shù)G3,G6,G10,G16,G18,G19,G20,G21和G22是旋轉(zhuǎn)對稱的。讓第4,第6,第8和第10 - 到20階非球面項(xiàng)作為變量,在這里沒有使用最后的六個(gè)系數(shù)。

    讓我們運(yùn)行這個(gè)MACro?赡軙玫礁玫慕Y(jié)果,模擬退火幾個(gè)周期。

    這使得評價(jià)函數(shù)降至2.1E-5,這表明已經(jīng)找到了一個(gè)很好的解決方案。

    這是最終設(shè)計(jì)的FLUX圖:

    曲線幾乎完全均勻,那么OPD誤差怎么樣?

        SYNOPSYS AI>OPD

            SYNOPSYS AI>SFA 5 P

            ID LASER BEAM SHAPER                       115            20-MAY-17   13:32:54

            SAGITTAL RAY FAN ANALYSIS

            FRACT. OBJECT HEIGHT               HBAR      0.000000   GBAR      0.000000

            COLOR NUMBER                          1

             REL ENT PUPIL   WAVEFRONT ABERR

                  XEN            OPD (WAVES)

            ________________________________

            0.200             -0.000865       0.400

            -6.675373E-05       0.600

            0.000361

                 0.800             -0.000651

                 1.000             -0.000791

    這種設(shè)計(jì)基本上是完美的,誤差小于1/1000,并且它只需要兩片透鏡。 看起來不需要像第11課的六片透鏡那么多鏡片的設(shè)計(jì)!

    為了確保正確性,還要檢查DPROP的輸出波前:

        STORE 9

        CHG

        1 SIN

        1 TH 0

        CFIX

        END

        DPROP P 0 0 6 SURF 2.5 R RESAMPLE

        GET 9

    這正是我們追求的目標(biāo)。 在這里,該程序再次確定衍射不起重要作用,并且計(jì)算純粹是幾何的。

    現(xiàn)在唯一的問題是非球面鏡的制造難度。查看非球面鏡與最近擬合球面(CFS)的距離。

        ADEF 3 PLOT ADEF

        4 PLOT

    這兩個(gè)非球面鏡都距離CFS只有幾微米。 看來這是可控的。 看看相對于CFS的邊緣模式:

    ADEF 3 FRINGES

    這樣的非球面面型,對加工廠來說,是可以被加工出來的。請參閱第21課,了解如何使用CLINK優(yōu)化功能來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

    [ 此帖被optics1210在2019-01-24 10:40重新編輯 ]
     
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