SYNOPSYS 光學設計軟體課程十二：非球面激光光束整形器
在第11課中，我們設計了一個激光束整形器，以平整化小型HeNe激光器的高斯光束輪廓。 為了降低製造成本，我們嘗試用球面的設計來達到這個目標，因為它比非球面更容易製造。 使用一個六片透鏡設計，這似乎符合我們的規格。 也許這種設計可以進一步改進，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，那麼非球面設計看起來更具吸引力。
讓我們從第11課中使用的相同的雙透鏡配置開始，進行修改，以便我們只將光通量平坦化為1 / e ** 2點。 得到兩倍的孔徑似乎是不切實際的，需要需要再次優化。 下面是初始結構文件：
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.
由於在第11課中學到了很多，可以用此優化函數開始優化。
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在焦散前移動表面6
END
PANT ! Start of variable parameter definition. 開始定義變數參數
VLIST RAD 2 3 4 5 ! Vary four radii. 四個半徑變化
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
VY 4 CC ! And on surface 4. 改變表面4上的圓錐常數
VY 3 G 3 ! Add three aspheric terms to surface3. 向表面3添加三個非球面項
VY 3 G 6
VY 3 G 10
VY 4 G 3 ! And three to surface 4. 表面4也添加3個球面頂
VY 4 G 6
VY 4 G 10
END
AANT ! Start of merit function definition. 開始評價函數定義
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。
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. 瞄準邊緣射線點和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。
M 0 1 A P FLUX 0 0 .98 0 LB1 ! And so on, for a set of zones. 等等，對於一組區域進行設置。
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，權重為.01
GSR 0 50 10 P ! And also target the ray angles to zero. 並且還將光線角度定為零。
END
SNAP
SYNO 50
雖然這很簡單，但應該指出：為什麼GSR用於瞄準光線角度？通常，GSR控制每條光線相對於主光線的實際X坐標 - 但由於此係統處於AFOCAL模式，輸出是準直的，因此該案例將以輸出角度為目標。
在哪裡指定光線和光通量目標應在表面6？這個系統共有七個表面，計算AFOCAL角度轉換所需的兩個虛擬面。助記符「LB1」表示「最後但只有一個」，並且在處理輸入時它被表面6替換。
此處，選擇兩個表面上圓錐係數和三個非球面係數為變數。還有更高的係數，這種形式的非球面有22個係數可用，但只有係數G3，G6，G10，G16，G18，G19，G20，G21和G22是旋轉對稱的。讓第4，第6，第8和第10 - 到20階非球面項作為變數，在這裡沒有使用最後的六個係數。
好吧，讓我們運行這個MACro。事情可能會變得更好，所以我們退火幾個週期。
這使得評價函數降至2.1E-5，這表明我們已經找到了一個很好的解決方案。
這是最終設計的FLUX圖：
曲線幾乎完全均勻，那麼OPD錯誤怎麼樣？
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
這種設計基本上是完美的，誤差小於1/1000，並且它只需要兩片透鏡。 看起來不需要第11課的六片透鏡設計！
為了確保正確性，我們還要檢查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。 在這裡，該程序再次確定衍射不起重要作用，並且計算純粹是幾何的。
現在唯一的問題是非球面鏡的製造難度。 為了看看非球面鏡與最近擬合球面（CFS）的距離。
ADEF 3 PLOT ADEF
4 PLOT
這兩個非球面鏡都距離CFS只有幾微米。 看來這是可控的。 看看相對於CFS的邊緣模式：
ADEF 3 FRINGES
這對加工廠裏的人未必挑戰。 根據非球面鏡的製作和測量方法，可能會嘗試在某種程度上減少非球面偏離，從而避免出現性能偏離。 請參閱第21課，瞭解如何使用CLINK優化功能來實現這一目標。
詳情請諮詢：諮詢：[email protected] 027-87582688
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