VirtualLab Fusion：衍射光束整形鏡的優化（1）
VirtualLab Fusion：基本工具箱+衍射工具箱
1.建模任務
? 這個案例演示了設計一個理想化微結構的光束整形鏡。
? 光束整形鏡產生一個任意相位調制（非離散相位級次）。
? 反射鏡將高斯激光束整形成一個圓形高帽。
? 這個案例將演示計算反射鏡的光學函數。
? 在開始此案例之前，我們迫切建議您閱讀案例LBS.001和545。
入射激光光束
? 波長：632.8nm
? 激光光束直徑（1/e2）：2.5mm
? 發散角（全角1/e2）：≈0.01°
? M2值：1
目標平面上期望強度分布
? 直徑（FWHM）；3mm
? 邊緣寬度（能量從90%衰減到10%）：70um
? 效率：>90%
? 信噪比（SNR）：>40dB
2.設計概念
? 設計沒有離散相位級的光束整形透過函數。
? 第一步：忽略反射鏡并且計算一個衍射光束整形器的透過率函數。
? 第二步：由透射光束整形器的光學函數計算反射鏡的光學函數。
第一步
優化一個衍射光束整形器的透過率函數
1. 設計透射光束整形器
2.生成入射激光光束
Sources-Gaussian wave
? 生成激光光束：
- 點擊Source→Gaussian Wave
- 輸入波長（wavelength）632.8nm和1/e2半徑（1/e2 radius）
Propagations-Automatic Propagation Operator
? 將高斯光束傳輸到激光整形器平面上去：
- 點擊Propagation-Automatic Propagation Operator
- 傳播距離（Propagation Distance）：50mm
3.生成期望輸出場
? 點擊Source→Super Gaussian Wave
? 輸入波長（wavelength）：632.8nm，HWHM半徑（HWHM radius）和邊緣寬度（edge width）
4.生成IFTA優化文件
Diffractive-Diffractive Beam Shaper
? 打開衍射光束整形器對話框：Design-Beam Shaper Design-Diffractive Beam Shaper
? 設置入射場（照明高斯激光光束，傳輸50mm后的光束）和期望輸出場（高帽）
? 選擇優化區域創建方法
? 這個案例將演示設計菲涅爾類型光束整形元件。這意味著光束整形器將包含衍射透鏡以在定義的距離下生成高帽。
? 選擇菲涅爾設置并且輸入一個100mm的距離值。
? 假定光束整形器不包含矩形像素。像素因子應該減小到1。
? VirtualLab可以自動計算光束整形器傳輸的采樣距離。然而為了減小優化的數值計算量，我們將采樣距離/像素大小設置為7.5um×7.5um。
? 光束整形器孔徑直徑必須至少為入射激光光束直徑（1/e2 ）的兩倍。
? 點擊Next。
? 這個頁面給出了入射場，透過率函數以及期望輸出場三者采樣距離的概觀。
? 點擊Create Optimization Document 以生成IFTA優化文件。
5.光束整形器透過率函數的優化
? 此案例演示了對一個具有任意相位調制光束整形器的優化（無離散相位級次）。
? 選擇透過率函數類型為：連續相位（Continuous Phase-Only）。
? 切換到優化文檔的設計界面（Design page）。
? 優化將使用幾何光學光束整形方法來計算一個初始透過率函數，在此基礎上，通過迭代傅里葉傳輸算法（IFTA）做進一步的波光優化。
? 將設計方法改為幾何光束整形（Geometrical Optics Beam Shaping）。
? 選擇假設可分離類型（Assumed Separability Type）：旋轉對稱（Rotational Symmetry）。
? 點擊Start Design以開始幾何光學光束整形。
? 切換到分析頁面（Analysis ）以分析幾何光束整形的結果。
? 選擇轉換效率（Conversion Efficiency）和信噪比（Signal-To-Noise Ratio）優化函數。
? 點擊Recalculate進行計算。
? 目標平面上的強度分布。
? 幾何光束整形結果相當好，但是可以通過IFTA優化以進行提高。
? 轉換到設計頁面（Design page）。
? 選擇設計方法（Design Method）：迭代傅里葉變換算法方法（Iterative Fourier Transform Algorithm Approach）。
? 禁用生成初始透過率函數（Generate Initial Transmission）。VirtualLab將使用IFTA優化幾何光束整形的結果。
? 使用至少50次迭代來進行信號相位合成和Phase-Only Transmission的信噪比優化。
通過禁用優化函數的記錄和顯示最終透過率函數以及輸出場來加速優化。
? 點擊Start Design 開始優化。
? 在分析頁面（Analysis page）上重新計算輸出場。
? 效率超過99%和信噪比大約為49dB。
......未完，待續.....
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