本案例介紹利用衍射擴散器使準分子激光光束均勻化，通過優(yōu)化擴散器以生成一個圓形的top hat。

 

關鍵詞：衍射光學，衍射光學元件，均勻（homogenization），擴散器，準分子激光，部分相干

 

所需工具箱：Starter Toolbox Premium

 

相關Tutorials：HSL.1, DO.2

 

建模任務

 衍射擴散傳輸器                          目標平面

 

          準分子激光                聚焦透鏡（f=20mm）                強度分布 

照射光束參數(shù)

 

·光源面尺寸：100×100um

·發(fā)散角（HWHM）：0.89×0.89°

·空間相干長度：3×3 um

·波長：351nm

 

衍射發(fā)散器

 

·取樣間隔：5um

·尺寸：640×640um

相位階數(shù)：8

發(fā)散傳輸器相位

 

載入光路徑圖

 

·載入文件HSL.002_Homogenization_Excimer_Laser_by_DOE_01.lpd。

 

· 該文件在本案例VL_Samples文件夾中。

 

高斯型面光源

 

 
雙擊Gaussian Type Plane Source打開編輯對話框。 

·Gaussian Type Plane Source利用一些非相干高斯光源來模擬空間相干光源。

· 光源需通過以下設置來對準分子激光束建模。

· 第一步將波長設為351nm。

· 在Power Spectrum Type下拉框中選擇Single Wavelength。（VirtualLab同樣支持多波長的模擬。）

 

·轉到Spatial Parameters

標簽頁中更改光源的輻射特性。

·光源由Size of Source Plane和Divergence angle或Coherence Length或Waist Radius其中的一種來定義。后面的三個參數(shù)不能獨立改變，因為它們彼此相關。

·按照截圖輸入Size of Source Plane和Spatial Coherence Length值。

 

· 轉到Mode Selection標簽頁。

· 該標簽頁用來控制模擬空間和時間相干性的模式數(shù)（時間相干性通過光譜功率來模擬）。

· 在該頁的頂部可以看到總的模式數(shù)。

· 底部框用來控制模擬空間相干的Lateral Modes數(shù)。

 

·  Lateral modes可選擇開始于Uniform 2D Grid位置或Random位置。

· Uniform 2D Grid的情況下，Initial Grid Size和Lateral Level兩個參數(shù)更方便增加模式數(shù)。

· 模式數(shù)越多模擬的精度就越高，所需的內(nèi)存空間和計算時間就越大。

點擊Cancel按鈕。

 

Stored Transmission

· 光源后面接一個理想透鏡，距離為20mm，目的是對光源進行準直。

· Stored Transmission用來模擬衍射發(fā)散器的作用。

· 雙擊Stored Transmission打開編輯對話框。

 

 

· Stored Transmission包含衍射發(fā)散器的傳輸方程。發(fā)散器可利用Diffractive Optics Toolbox Basic來優(yōu)化。更多細節(jié)請參考案例DO.2。

·Set和Show按鈕分別用來設定和顯示所模擬的傳輸器（Transmission）。

 

 
 

· 點擊GO開始模擬。

· 整個模擬過程大概需要3分鐘。

 
 

Harmonic Field Sets

 

· 模擬的結果是返回一個Harmonic Field  Set，它包含了目標面上不同模式的復振幅。

·Harmonic Field Set窗口包含有兩種視圖Data View和Light View。

·Data View顯示的是模式集合中的其中一種模式，可以通過工具欄選擇查看其他的模式，參見截圖上部。

 

 

 

· 該Light View顯示的是所有模式Ex2與Ey2的疊加。

 

· 該圖的計算過程因模式的多少而異。

 

· Harmonic Field Set可能會包含數(shù)百個模式，這些大量的數(shù)據(jù)超過RAM的存儲空間，因為這些模式都存儲在硬盤里。

· 如果用戶想在RAM中使用這些數(shù)據(jù)，可參照截圖改變Harmonic Field Set數(shù)據(jù)的存儲位置。

 

 

· 這些大量模式數(shù)和每個模式的取樣點數(shù)要求一個非常大的磁盤空間來存儲一個Harmonic Field Set。

· 這要求將用做暫存存儲器中的文件夾移動到另外一個位置。

· Global Options允許改變暫存路徑。

· 這需要額外100GB的硬盤空間。

 

模擬結果

            目標面上單個模式的強度 

 

      目標面上11×11個模式的強度

結論

· VirtualLab可以模擬光源的空間部分相干性。

· 使用不同的光源模式：多模高斯光束，高斯型平面光源，自定義模式平面光源（Customized Mode Plane Source）。

· 利用發(fā)散器模擬均勻化系統(tǒng)（homogenization systems）是可行的。