激光器的輸出具有非均勻的高斯強度分布，并且對于某些應用，人們希望使其均勻分布。 這是激光束整形器的工作需求。

處理辦法：

這項工作可以通過多種方式完成。 對于具有球面的簡單透鏡，它需要以重新分布光的方式平衡大量的球差，降低光束中心處的能量密度，同時在邊緣附近增加光束。 使用非球面表面更容易，其中人們可以更好地控制要引入的像差量，如果使用衍射光學元件，則更容易控制。 問題是后者比球面鏡片貴得多，所以我們希望看到我們可以先做些什么。

考慮到這一點，我們將嘗試一種全部使用球面透鏡的方法，以確定我們可以制作光束的均勻程度以及我們需要多少元件。 讓我們從一個非常簡單的設置開始，我們將繼續(xù)優(yōu)化。

將腰半徑為0.35mm的HeNe激光器轉換成直徑為10mm且均勻至10％以內的光束。

這是我們輸入的初始結構：

    RLE                         ! Beginning of lens input file. ID LASER BEAM SHAPER

    WA1 .6328                 ! Single wavelength

    UNI MM                     ! Lens is in millimeters

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

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

    2    RD -5 TH 2 GTB S     ! Guess some reasonable lens parameters; use glass type SF6 from Schott catalog SF6

    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

    4    RD 20 TH 4 PIN 2     ! Guesses for surface 4

    5    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.

（這個系統(tǒng)處于AFOCAL模式，這意味著輸出將被準直。但是如果圖像處于無限遠處，橫向像差是沒有意義的，因此程序將它們轉換為角度像差，不需要“完美透鏡”。但程序需要 最后兩個虛擬表面，它在那里進行平移，這里是表面6和7.）

首先，讓我們檢查一下能量密度如何從孔徑的中心下降到邊緣。 有三種方法可以做到這一點。 最簡單的是使用FLUX命令：

    FLUX 100 P 3

此輸入將顯示表面3上的通量，顯示預期的衰減：

另一種方法使用FLUX像差。 此表單為您提供了更大的靈活性，因為您可以自己指定孔徑和視場點。 使用以下行創(chuàng)建MACro。 （注意DD的符號定義）：

    DD: DO MACRO FOR AIP = -1 TO 1

    COMPOSITE                    ! Ready a composite definition.

    CD1 P FLUX 0 0 AIP 0 3        ! Composite data number 1 is the flux at a relative Y- coordinate of AIP

                                ! (defined later) on surface 3.

    = CD1

    Z1 = FILE 1

    = 1 + Z1

    ORD = FILE 1

運行此MACro一次，然后輸入STEPS = 100然后輸入DD。 程序將AIP的值從-1循環(huán)到1，并繪制光通密度。 讓我解釋一下邏輯。

•    CD1 P FLUX ...計算表面3處AIP區(qū)域（環(huán)路變量）的通量衰減

•    = CD1是一個等式，其結果自動放在FILE位置1。

•    Z1= FILE 1獲取該值并將其置于變量Z1中。

•    = 1 + Z1為結果添加1.0。 這是總通量，因為Z1是衰減。

•    ORD= FILE 1獲取此值并將其用于繪圖的縱坐標，其橫坐標為循環(huán)變量AIP。

這是圖：

再次，您可以看到高斯光通量曲線，根據(jù)OBG定義評估為1 / e ** 2點的兩倍。 （第三種方式使用DPROP衍射傳播特征。設置和運行更復雜，但考慮到光束的衍射，其他兩個則不然。）

本課程的目的是使通量盡可能均勻，目標是在孔徑上改變10％。

在這里，我們簡單地猜測了一些起始透鏡尺寸，但我們已經(jīng)看到了一個解決方案的暗示：注意邊緣光線如何朝向軸會聚，而中心光線更準直。 能量確實會比以前更集中在邊緣，這是向正確方向邁出的一步 - 但我們也希望整個光束準直，所以我們需要一種方法來拉直光線。 這更難。

兩個元件不足以實現(xiàn)目標，使用WorkSheet再添加兩個元件。 點擊“工作表”按鈕， 然后單擊“工作表”工具欄中的“插入元件”按鈕。 然后在PAD顯示中單擊軸，在表面右側添加一個元件。再向右側再做一次相同的操作。 現(xiàn)在系統(tǒng)看起來像這樣：

我們將嘗試優(yōu)化這個系統(tǒng)，但首先讓我們創(chuàng)建一個Checkpoint，這樣如果事情不能按照我們的希望工作，我們可以立即返回。 單擊“檢查點”按鈕。

在我們需要設置一個優(yōu)化MACro，看看我們是否可以解決問題。 這是一個開始：

    CHG NOP

    9 UMC END

    PANT                        ! Start of variable parameter definitions. VLIST RAD ALL    ! Vary all radii.

    VLIST TH 3 5 6 7 8            ! Vary the airspaces and two thicknesses (so AEC works on those elements). END

    AANT                        ! Start of merit function definition AEC

    ACC

    LUL 100 1 1 A TOTL            ! Prevent the system from growing too large; assign upper-limit of 150 on TOTL.

    M 5 10 A P YA 0 0 1 0 9            ! Ask for a beam radius of 5 mm on surfaces 9 and 10

    M 5 10 A P YA 0 0 1 0 10

    M 0 1 A P FLUX 0 0 1 0 10   ! Ask for a flux falloff of zero at several zones on 10

    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .98        0    10

    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .97        0    10

    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .96        0    10

    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .95        0    10

    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .94        0    10

    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .93        0    10

    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .92        0    10

    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .91        0    10

    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .85        0    10

    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .8    0        10

    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .7    0        10

    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .5    0        10

    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .3    0        10

    GSO 0 1 5 P                    ! Control the output ray OPD over an SFAN of 5 rays.

    END                            ! End of merit function definition.

    SNAP

    SYNO 100

運行此MACro，透鏡現(xiàn)在看起來像這樣（您的結果可能會有所不同，因為您單擊插入元件的確切位置是不可預測的。）

為了確定情況是否有所改善，我們需要再次評估光通量均勻性。 輸入FLUX 100 P 10.光通量沒有改善。

看起來我們還沒有完成。 該怎么辦？

好吧，記住我們定義了高斯光源，使“全孔徑”是1 / e ** 2點的兩倍。 這意味著我們正在嘗試重新分配能量，因此非常微弱的外緣與中心一樣明亮。 也許這太過要求了。 讓我們再次恢復檢查點并編輯對象規(guī)范。 在工作表中，在表面框中輸入數(shù)字0，然后單擊更新。 這將顯示編輯窗格中的當前系統(tǒng)規(guī)范，包括對象選擇。

該對象目前是OBG 0.35 2.將其更改為OBG .35 1并單擊“更新”。 現(xiàn)在，“全孔徑”處于1 / e ** 2點，而不是之前的兩倍。 將其保存為新的檢查點，再次運行最后一個MACro，并退火幾個周期。

現(xiàn)在通量稍好一些。 我們提到在保持光線角度控制的同時使強度分布變平并不容易。 OPD約為0.35波。

這似乎與我們用四個元件達到的平衡一樣好。 如果我們再添加一些會怎么樣？ 讓我們從這個設計開始，再添加兩個元件。

現(xiàn)在我們需要將新變量添加到PANT文件中; 此外，由于評價函數(shù)指定了要評估某些數(shù)量的表面編號，并且每當我們添加一個元件時這個數(shù)字都會改變，我們可以通過將表面編號更改為特殊符號“LB1”來簡化操作，這意味著“ 最后一個”。 由于透鏡中的最高表面當15，因此該符號自動變?yōu)閿?shù)字14.現(xiàn)在，如果我們在搜索解決方案時決定添加或刪除元件，則我們不必每次都編輯該數(shù)字。 我們還在GSO之后添加了GSR指令，以更好地控制光線角度，并且我們降低OPD光扇圖的權重以更好地平衡物體。

    CHG NOP

    13 UMC END

    PANT                        ! Start of variable parameter definitions.

    VLIST RAD ALL                ! Vary all radii.

    VLIST TH ALL

    END

    AANT                        ! Start of merit function definition AEC

    ACC

    LUL 100 1 1 A TOTL            ! Prevent the system from growing too large

    M 5 10 A P YA 0 0 1 0 LB1   ! Ask for a beam radius of 5 mm on surfaces 9 and 10

    M 5 10 A P YA 0 0 1 0 LB2

    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    1 0    1    0       ! Ask for a flux falloff of zero at several zones

    M    0    1    A    P    FLUX    0    0    .98    0    LB1

    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    .85    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 1 10 P                ! Control the output ray OPD over an SFAN of 5 rays. GSR 0 50 10 P

    END                            ! End of merit function definition.

    SNAP

    SYNO 40

我們運行這個MACro，然后單擊模擬退火按鈕，因為我們已經(jīng)接近并希望確保找到最佳狀態(tài)。 在那里，我們輸入約50的起始溫度并選擇Quiet選項以加快速度。 經(jīng)過多次退火后，透鏡結構如下:(當你自己運行這些工作時，由于退火過程的隨機性，答案通常會有所不同。但通常質量會相似。）

并且通量將在我們的10％均勻性目標內。

OPD錯誤現(xiàn)在遠低于一個波長。 似乎可以使用全球面元件完成這項工作，但需要六個元件。

現(xiàn)在我們理解為什么人們通常會使用非球面或衍射元件來完成這種工作。 然后有更少的元件和更好的性能，因此值得額外的制造代價。

要完成本課程，讓我們看一下系統(tǒng)中出現(xiàn)的光線模式。 轉到足跡對話框（MFP），選擇表面13,10x刻度，并要求600光線。 這是光線分布：

這對光束整形器來說非常好; 光線更多地散布在中心附近并在邊緣附近壓縮，這正是使光束更均勻的正確方法。

現(xiàn)在我們將使用DPROP來評估最終的包絡。 在這種設計中，光束從表面3開始早期擴展，此后衍射不會發(fā)揮重要作用。 所以我們可以運行DPROP，計算將是純幾何的。

以下是運行DPROP所需的輸入：

    CHG

    CFIX

    1 TH 0

    END

    DPROP P 0 0 13 SURF 3 R    RESAMPLE

在這里，我們將所有孔徑更改為固定值，這在運行DPROP時總是建議使用，因為如果衍射可以在那里發(fā)送甚至少量的能量，那么該程序通常會檢查比透鏡允許的更大的區(qū)域。 固定孔可防止這種情況發(fā)生 表面13上的波前現(xiàn)在看起來像這樣：

為了用真實光線精確地建模高斯光束，應該盡早擴展光束; 那么衍射傳播不再是一個問題。 在下一課中，我們將開發(fā)一個具有非球面表面的光束整形器，以說明這些非常有用的變量的影響。

本課程旨在向您展示您可以使用的一些工具，并說明需要注意的內容以及如何處理在遇到困難和陌生挑戰(zhàn)時，出現(xiàn)的不可避免的意外和權衡。