激光器的輸出具有非均勻的高斯強(qiáng)度分布，并且對(duì)于某些應(yīng)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(xiàng)工作可以通過(guò)多種方式完成。 對(duì)于具有球面的簡(jiǎn)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(shí)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(xué)元件，則更容易控制。 問(wèn)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(diǎn)，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(gè)非常簡(jiǎn)單的設(shè)置開(kāi)始，我們將繼續(xù)優(yōu)化。
將腰半徑為0.35mm的HeNe激光器轉(zhuǎn)換成直徑為10mm且均勻至10％以內(nèi)的光束。
這是我們輸入的初始結(jié)構(gòu)：
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(gè)系統(tǒng)處于AFOCAL模式，這意味著輸出將被準(zhǔn)直。但是如果圖像處于無(wú)限遠(yuǎn)處，橫向像差是沒(méi)有意義的，因此程序?qū)⑺鼈冝D(zhuǎn)換為角度像差，不需要“完美透鏡”。但程序需要 最后兩個(gè)虛擬表面，它在那里進(jìn)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(diǎn)。 最簡(jiǎn)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(yù)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?yàn)槟梢宰约褐付ǹ讖胶鸵晥?chǎng)點(diǎn)。 使用以下行創(chuàng)建MACro。 （注意DD的符號(hào)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(yùn)行此MACro一次，然后輸入STEPS = 100然后輸入DD。 程序?qū)IP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(jì)算表面3處AIP區(qū)域（環(huán)路變量）的通量衰減
• = CD1是一個(gè)等式，其結(jié)果自動(dòng)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(jié)果添加1.0。 這是總通量，因?yàn)閆1是衰減。
• ORD= FILE 1獲取此值并將其用于繪圖的縱坐標(biāo)，其橫坐標(biāo)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(píng)估為1 / e ** 2點(diǎn)的兩倍。 （第三種方式使用DPROP衍射傳播特征。設(shè)置和運(yùn)行更復(fù)雜，但考慮到光束的衍射，其他兩個(gè)則不然。）
本課程的目的是使通量盡可能均勻，目標(biāo)是在孔徑上改變10％。
在這里，我們簡(jiǎn)單地猜測(cè)了一些起始透鏡尺寸，但我們已經(jīng)看到了一個(gè)解決方案的暗示：注意邊緣光線如何朝向軸會(huì)聚，而中心光線更準(zhǔn)直。 能量確實(shí)會(huì)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(gè)光束準(zhǔn)直，所以我們需要一種方法來(lái)拉直光線。 這更難。
兩個(gè)元件不足以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，使用WorkSheet再添加兩個(gè)元件。 點(diǎn)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(cè)添加一個(gè)元件。再向右側(cè)再做一次相同的操作。 現(xiàn)在系統(tǒng)看起來(lái)像這樣：
我們將嘗試優(yōu)化這個(gè)系統(tǒng)，但首先讓我們創(chuàng)建一個(gè)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(diǎn)”按鈕。
在我們需要設(shè)置一個(gè)優(yōu)化MACro，看看我們是否可以解決問(wèn)題。 這是一個(gè)開(kāi)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(yùn)行此MACro，透鏡現(xiàn)在看起來(lái)像這樣（您的結(jié)果可能會(huì)有所不同，因?yàn)槟鷨螕舨迦朐拇_切位置是不可預(yù)測(cè)的。）
為了確定情況是否有所改善，我們需要再次評(píng)估光通量均勻性。 輸入FLUX 100 P 10.光通量沒(méi)有改善。
看起來(lái)我們還沒(méi)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(diǎn)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(guò)要求了。 讓我們?cè)俅位謴?fù)檢查點(diǎn)并編輯對(duì)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(dāng)前系統(tǒng)規(guī)范，包括對(duì)象選擇。
該對(duì)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(diǎn)，而不是之前的兩倍。 將其保存為新的檢查點(diǎn)，再次運(yùn)行最后一個(gè)MACro，并退火幾個(gè)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(shí)使強(qiáng)度分布變平并不容易。 OPD約為0.35波。
這似乎與我們用四個(gè)元件達(dá)到的平衡一樣好。 如果我們?cè)偬砑右恍⿻?huì)怎么樣？ 讓我們從這個(gè)設(shè)計(jì)開(kāi)始，再添加兩個(gè)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(píng)價(jià)函數(shù)指定了要評(píng)估某些數(shù)量的表面編號(hào)，并且每當(dāng)我們添加一個(gè)元件時(shí)這個(gè)數(shù)字都會(huì)改變，我們可以通過(guò)將表面編號(hào)更改為特殊符號(hào)“LB1”來(lái)簡(jiǎn)化操作，這意味著“ 最后一個(gè)”。 由于透鏡中的最高表面當(dāng)15，因此該符號(hào)自動(dòng)變?yōu)閿?shù)字14.現(xiàn)在，如果我們?cè)谒阉鹘鉀Q方案時(shí)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(quán)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(yùn)行這個(gè)MACro，然后單擊模擬退火按鈕，因?yàn)槲覀円呀?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(xiàng)以加快速度。 經(jīng)過(guò)多次退火后，透鏡結(jié)構(gòu)如下:(當(dāng)你自己運(yùn)行這些工作時(shí)，由于退火過(guò)程的隨機(jī)性，答案通常會(huì)有所不同。但通常質(zhì)量會(huì)相似。）
并且通量將在我們的10％均勻性目標(biāo)內(nèi)。
OPD錯(cuò)誤現(xiàn)在遠(yuǎn)低于一個(gè)波長(zhǎng)。 似乎可以使用全球面元件完成這項(xiàng)工作，但需要六個(gè)元件。
現(xiàn)在我們理解為什么人們通常會(huì)使用非球面或衍射元件來(lái)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(jià)。
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(zhuǎn)到足跡對(duì)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(duì)光束整形器來(lái)說(shuō)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(lái)評(píng)估最終的包絡(luò)。 在這種設(shè)計(jì)中，光束從表面3開(kāi)始早期擴(kuò)展，此后衍射不會(huì)發(fā)揮重要作用。 所以我們可以運(yùn)行DPROP，計(jì)算將是純幾何的。
以下是運(yùn)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(yùn)行DPROP時(shí)總是建議使用，因?yàn)槿绻苌淇梢栽谀抢锇l(fā)送甚至少量的能量，那么該程序通常會(huì)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(lái)像這樣：
為了用真實(shí)光線精確地建模高斯光束，應(yīng)該盡早擴(kuò)展光束; 那么衍射傳播不再是一個(gè)問(wèn)題。 在下一課中，我們將開(kāi)發(fā)一個(gè)具有非球面表面的光束整形器，以說(shuō)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(shuō)明需要注意的內(nèi)容以及如何處理在遇到困難和陌生挑戰(zhàn)時(shí)，出現(xiàn)的不可避免的意外和權(quán)衡。
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