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

 

·光源面尺寸：100×100um

·發散角（HWHM）：0.89×0.89°

·空間相干長度：3×3 um

·波長：351nm

 

衍射發散器

 

·取樣間隔：5um

·尺寸：640×640um

相位階數：8

發散傳輸器相位

 

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（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。

· 底部框用來控制模擬空間相干的Lateral Modes數。

 

·  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兩個參數更方便增加模式數。

· 模式數越多模擬的精度就越高，所需的內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用來模擬衍射發散器的作用。

· 雙擊Stored Transmission打開編輯對話框。

 

 

· Stored Transmission包含衍射發散器的傳輸方程。發散器可利用Diffractive Optics Toolbox Basic來優化。更多細節請參考案例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可能會包含數百個模式，這些大量的數據超過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中使用這些數據，可參照截圖改變Harmonic Field Set數據的存儲位置。

 

 

· 這些大量模式數和每個模式的取樣點數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）。

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

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