VirtualLab Fusion：衍射光束整形镜的优化（1）

VirtualLab Fusion：基本工具箱+衍射工具箱

 

1.建模任务
 

• 这个案例演示了设计一个理想化微结构的光束整形镜。

• 光束整形镜产生一个任意相位调制（非离散相位级次）。

• 反射镜将高斯激光束整形成一个圆形高帽。

• 这个案例将演示计算反射镜的光学函数。

• 在开始此案例之前，我们迫切建议您阅读案例LBS.001和545。

 

 

入射激光光束

• 波长：632.8nm

• 激光光束直径（1/e2）：2.5mm

• 发散角（全角1/e2）：≈0.01°

• M2值：1

目标平面上期望强度分布

• 直径（FWHM）；3mm

• 边缘宽度（能量从90%衰减到10%）：70um

• 效率：>90%

• 信噪比（SNR）：>40dB

2.设计概念
 

• 设计没有离散相位级的光束整形透过函数。

• 第一步：忽略反射镜并且计算一个衍射光束整形器的透过率函数。

• 第二步：由透射光束整形器的光学函数计算反射镜的光学函数。

 

第一步
 

优化一个衍射光束整形器的透过率函数

 

1. 设计透射光束整形器

 

2.生成入射激光光束

Sources-Gaussian wave

 生成激光光束：

- 点击Source→Gaussian Wave

- 输入波长（wavelength）632.8nm和1/e2半径（1/e2 radius）

Propagations-Automatic Propagation Operator

 将高斯光束传输到激光整形器平面上去：

- 点击Propagation-Automatic Propagation Operator

- 传播距离（Propagation Distance）：50mm

 

3.生成期望输出场

• 点击Source→Super Gaussian Wave

• 输入波长（wavelength）：632.8nm，HWHM半径（HWHM radius）和边缘宽度（edge width）

4.生成IFTA优化文件

Diffractive-Diffractive Beam Shaper

 打开衍射光束整形器对话框：Design-Beam Shaper Design-Diffractive Beam Shaper

 设置入射场（照明高斯激光光束，传输50mm后的光束）和期望输出场（高帽）

 选择优化区域创建方法

 这个案例将演示设计菲涅尔类型光束整形元件。这意味着光束整形器将包含衍射透镜以在定义的距离下生成高帽。

 选择菲涅尔设置并且输入一个100mm的距离值。

 

 假定光束整形器不包含矩形像素。像素因子应该减小到1。

 VirtualLab可以自动计算光束整形器传输的采样距离。然而为了减小优化的数值计算量，我们将采样距离/像素大小设置为7.5um×7.5um。

 光束整形器孔径直径必须至少为入射激光光束直径（1/e2 ）的两倍。

 点击Next。

 这个页面给出了入射场，透过率函数以及期望输出场三者采样距离的概观。

 点击Create Optimization Document 以生成IFTA优化文件。

 

5.光束整形器透过率函数的优化

• 此案例演示了对一个具有任意相位调制光束整形器的优化（无离散相位级次）。

• 选择透过率函数类型为：连续相位（Continuous Phase-Only）。

• 切换到优化文档的设计界面（Design page）。

• 优化将使用几何光学光束整形方法来计算一个初始透过率函数，在此基础上，通过迭代傅里叶传输算法（IFTA）做进一步的波光优化。

• 将设计方法改为几何光束整形（Geometrical Optics Beam Shaping）。

• 选择假设可分离类型（Assumed Separability Type）：旋转对称（Rotational Symmetry）。

• 点击Start Design以开始几何光学光束整形。

• 切换到分析页面（Analysis ）以分析几何光束整形的结果。

• 选择转换效率（Conversion Efficiency）和信噪比（Signal-To-Noise Ratio）优化函数。

• 点击Recalculate进行计算。

• 目标平面上的强度分布。

• 几何光束整形结果相当好，但是可以通过IFTA优化以进行提高。

• 转换到设计页面（Design page）。

• 选择设计方法（Design Method）：迭代傅里叶变换算法方法（Iterative Fourier Transform Algorithm Approach）。

• 禁用生成初始透过率函数（Generate Initial Transmission）。VirtualLab将使用IFTA优化几何光束整形的结果。

• 使用至少50次迭代来进行信号相位合成和Phase-Only Transmission的信噪比优化。

通过禁用优化函数的记录和显示最终透过率函数以及输出场来加速优化。

• 点击Start Design 开始优化。

 

• 在分析页面（Analysis page）上重新计算输出场。

• 效率超过99%和信噪比大约为49dB。

......未完，待续.....