SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十六：一個激光二極管光束整形器

墨光科技

2023年11月7日 09:57

SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十六：一個激光二極管光束整形器的圖1

課程四十六：一個激光二極管光束整形器

這節課將展示如何設計從一個激光二極管到一個圓形準直光束的光學轉換器。我們從一個典型的激光二極管的規格開始，它在 X 方向和 Y 方向上有不同的發散角，設計任務比較復雜。以下是我們的設計規格:

Y 方向的光束發散度: 8.5°

X 方向的光束發散度: 19°

波長為0.403um

我們將使用 OBG 命令，它需要高斯束腰半徑作為參數。首先我們要把發散角轉換成半徑值。

在用戶手冊的3.1.2節中，我們了解到該程序利用公式將光束半徑轉換為發散角

DIV = WAV(p) M2 / π WAIST No

WAIST = WAV(p) M2 / π DIV No

從這里我們得到了 y 方向的 GWR = 0.0008644和 x 方向的 GWR =0.0003868。現在我們創建 RLE 文件。在 EE 編輯器中鍵入 RLE 文件

RLE 
ID LASER DIODE BEAM CONVERTER 
UNI MM 
WA1 .403 
OBG 0.0008644 1 .0003868 
1 TH 20 
2 
END

然后運行這個宏，你會得到一個結構簡單初始結構。

SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十六：一個激光二極管光束整形器的圖2

很容易看出光束在 X 方向上與在 Y 方向上的差異:

在命令窗口輸入 BEAM 和 XBEAM

SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十六：一個激光二極管光束整形器的圖3

表面2上的 GBR 在 Y 方向上比在 X 方向上小得多，我們的第一個任務是把這個差異消除掉。我們需要在光束的中心插入一個透鏡。在工作表中，制作一個檢查點，然后單擊 WS 工具欄中的插入元件按鈕 SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十六：一個激光二極管光束整形器的圖4 。然后點擊 PAD 顯示器靠近中心的位置，程序將在該位置添加一個鏡片。

SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十六：一個激光二極管光束整形器的圖5

我們來看看光束輸出的形狀。輸入 MPE，選擇旋轉透視選項，并在光束邊緣顯示一個圓形圖案，用紅色表示。然后單擊執行。

SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十六：一個激光二極管光束整形器的圖6

旋轉顯示器，你會看到 X 軸上的光束比 Y 軸上的光束要大得多。

SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十六：一個激光二極管光束整形器的圖7

糾正這個問題，需要在表面3上添加一個柱面透鏡。在 WS 中，選擇該表面，單擊曲率對話框按鈕 SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十六：一個激光二極管光束整形器的圖8 ，然后選擇復曲面或柱面按鈕，并給出 Y-Z 半徑10毫米和 X-Z 半徑0。單擊 OK 按3鈕并關閉對話框。

SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十六：一個激光二極管光束整形器的圖9

現在我們在表面3上有一個柱面，但是我們必須調整它的參數，使表面4上的光束半徑在 X 方向和 y 方向上相同。

創建一個新的宏。我們不希望光束太陡，所以我們要求后焦厚度由3mm 增加到33mm。宏如下：

PANT
VY 2 RAD
VY 3 RAD
VY 3 TH 
END
AANTM
 33 1 A TH 3
M 7 1 A P YA 0 0 1 0 4
M 7 1 A P XA 0 1 0 0 4 
END
SNAP

SYNO 10

運行這個宏之后，將創建一個新的 RPER 繪圖。光束在表面4確實是圓形的。

SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十六：一個激光二極管光束整形器的圖10

但它還沒有像我們希望的那樣進行準直。在 WS 末尾添加另一個鏡片。

SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十六：一個激光二極管光束整形器的圖11

我們將在表面5上，使用非旋轉對稱的 kinoform 曲面，形狀為 USS 25。創建一個檢查點，在 WS 中選擇該表面，然后再次打開曲率對話框。USS 選項如下

如下所示，你必須從一個平面開始改變一個 USS 形狀。點擊平面按鈕，然后點擊 USS 按鈕。當一個新的對話框打開時，選擇類型25 擴展 DOE，并單擊確認和關閉按鈕。

SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十六：一個激光二極管光束整形器的圖12

我們希望輸出的光束是準直的，添加表面 7，并使系統設置為無焦。

建立一個新的 MACro

PANT
VY 2 RD
VY 3 RD
VY 4 RD
VY 3 TH
VY 5 G 16
VY 5 G 17
VY 5 G 18
VY 5 G 19
VY 5 G 20
VY 5 G 21
VY 5 G 24
VY 5 G 25
VY 5 G 26
VY 5 G 27
VY 5 G 28
VY 5 G 29
VY 5 G 32
VY 5 G 33
VY 5 G 34
VY 5 G 35
VY 5 G 36
VY 5 G 37

END


AANT
M 0 10 A P HH 0 0 1 0 5
M 7.0 1 A P YA 0 0 1 0 5
M 7.0 1 A P XA 0 1 0 0 5
GNR 0 .1 9 P
GNO 0 .1 9 P 
END
SNAP

SYNO 22

這將改變新 DOE 的系數，在 X 方向和 Y 方向上保持光束半徑等于7mm，要求邊緣光線出射角為零，并糾正橫向色差和 OPD 像差。這個過程收斂得很好——但是第2個鏡片太薄了，所以將厚度增加到3mm，并再次運行優化。以下是我們的設計：

SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十六：一個激光二極管光束整形器的圖13

輸入 MDI 設置一個光瞳波前圖，按0.1波長/英寸的比例畫圖。結果顯示誤差小于1/10波。

SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十六：一個激光二極管光束整形器的圖14

SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十六：一個激光二極管光束整形器的圖15

我們還沒考慮過強度衰減問題。這是一個激光二極管，我們假設強度分布是高斯的。讓我們檢查一下光通量。在命令窗口輸入 FLUX 20 P 6

SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十六：一個激光二極管光束整形器的圖16

光通量的下降完全符合我們的預期。現在我們需要解決照度均勻的問題。

但是我們在第13課中解決過這個問題，所以我們讓學習者自己去操作完成后面的練習。

我們這節課的宏如下所示。

RLE  
ID LASER DIODE BEAM CONVERTER  2434 MERIT  0.202029E-04  
LOG  2434  
WA1 .4030000  
WT1 1.00000  
APS  1  
AFOCAL XPXT  
EPUPIL   
UNITS MM  
OBG 0.0008644  1. 0.0003868  
0  AIR    
1  CV  0.0000000000000  TH  9.14848864 AIR  
2  CV  0.0868899628935  TH  1.00000000  
2  GLM  1.60000000    50.00000000  
3  CV  0.1150730958709  TH  30.13218529 AIR  
3  TORIC  0.00000000      
4  CV  0.0405917229030  TH  3.00000000  
4 N1 1.62117979  
4 GID 'GLM-NdVd  '  
4  PIN  2  
5 CV  0.0000000000000  TH  0.00000000 AIR  
5  USS 25  
CWAV  0.632800  
HIN  1.500000  55.000000  
RNORM  1.00000  
5 XDD 1  1.2488956E+00 -3.3430350E-02 -4.8801165E-05  2.3986731E-06 -6.1541865E-08  
5 XDD 2  5.6129758E-10  0.0000000E+00  0.0000000E+00 -5.9233478E+00 -4.6744410E-02  
5 XDD  3  -3.7078023E-05 -2.2003760E-06  3.6721484E-08 -4.9776438E-10 0.0000000E+00  
5 XDD 4  0.0000000E+00 -7.0629761E-02 -4.0279060E-05  5.1724603E-07 -6.0078137E-05  
5 XDD 5  1.4720853E-06 -1.2222347E-08  0.0000000E+00  0.0000000E+00 0.0000000E+00  
6 CV  0.0000000000000  TH  0.00000000 AIR  
7 CV  0.0000000000000  TH  0.00000000 AIR 
END

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