VirtualLab Fusion：设计和优化衍射光扩散器以生成高帽

此案例演示了设计和优化衍射光学元件的（DOE）作为光扩散器，来生成矩形高帽图样。

 

1.建模任务

 

DOE：扩散器

直径：1.4mm X 1.4mm

相位等级：2

像素尺寸：>1um

2.照明光束参数

 波长：632.8nmm

 激光光束直径（1/e2）：700um

 

3.期望输出场参数

• 直径：1°

• 分辨率：≤0.03°

• 效率：>70%

• 杂散光：<20%

 

4.设计和优化方法
 

• VirtualLab Fusion可以使用不同的设计和优化方法。

• 对于此案例，迭代傅里叶变换算法（IFTA）用于设计和优化（DOE）期望的衍射光学元件。

 

5.配置方法

 

你可以

• 使用辅助会话编辑器，进行光学系统的设置并且配置优化和设计文档。

• 或手动进行一切配置（更高级的方法）。

 

通过点击Start→Diffractive Optics→Regular Shape Diffuser 看可以打开会话编辑器的开开始页面。如下图所示。

 

6.设置输入光束参数

 

腰束和发散角的定义：1/e2 Waist Diameter，Divergence Full Angle。

 

设置波长为632.8nm，腰束直径为700um。

 

7.光学系统

 

选择光学系统为角谱（Angular Spectrum）。

 

光学系统周围介质默认为空气。

 

8.期望输出场设置

 

维度设置为二维高帽（2D Top Hat），高帽（Top Hat）形状设置为矩形（Rectangular Shape）。

 

9.参数确认过程中的提示

• 指定要创建光图样的期望光学分辨率。

• VirtualLab Fusion给出了一些有用的建议。

• 考虑到在相干照明下，光图案由散斑组成。为了获得清晰的期望光图案，散斑尺寸应该小于光图案的最小细节。

• 散斑大小由分辨率影响，但不能任意控制。

 

10.警告

出现以下情况，会出现红色警告信息：

• 通告指定的光学系统，不能达到期望的分辨率。

• 光学系统将创建离散点，而不是散斑图。

• 光学系统或指定分辨率并不能实现光图案所有的细节。

 

单击Optimize Resolution按钮来帮忙调整系统参数。

 

11. 帮助改变参数

• 这个对话框会显示分辨率是否适合典型的扩散器设计。

• 此处显示设置没有任何问题。

• 另外，通过这个工具，VirtualLab Fusion提供了某些确定选项以对参数进行调整，从而达到一个最佳的激光光束直径和分辨比。

 

12.DOE透过率函数参数

 

• 自动计算扩散器透过率函数的像素大小和周期。

• 像素尺寸增量（Pixel Size Increment），指的是使用机器进行扩散器加工时像素尺寸可以改变的步尺寸以及定位精度。

• 专业用户可能设置一个自定义像素尺寸。

 

13.设计和优化扩散器透过率函数

• 优化过的透过率函数典型的相位分布数据视图（在视图栏点击φ）。

• 由于衍射扩散器的优化始于随机相位，不同的优化过程会产生不同的透过率相位函数

 

14. 光路图（LPD）的系统分析

 

15.总结

 VirtualLab Fusion提供易于使用的工具来设计和优化衍射光扩散器元件来生成矩形（扩散线或Top Hats）和任意光图样。

 辅助设计步骤也使在衍射光学方面无经验的光学工程师完成衍射光学元件的设计。