激光束整形的案例
SYNOPSYS?光學(xué)設(shè)計軟件--球面激光束整形器
SYNOPSYS?光學(xué)設(shè)計軟件--球面激光束整形器
概述
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激光整形器
檢查能量密度或光通量均勻性的三種方法：
– FLUX
– FLUX像差
– DPROP
設(shè)置工作目錄
選擇Dbook工作目錄
參考Donald Dilworth《Lens Design Automatic and quasi-autonomous computational methods and techniques》第15章
激光整形器
激光器的輸出具有高斯強度分布，這是非均勻的，并且對于某些應(yīng)用，人們希望使其均勻。激光整形器使其均勻。
設(shè)計激光整形器有多種方法：
·對于具有球形表面的簡單透鏡，它需要以重新分布光的方式平衡相當(dāng)大量的球差，降低光束中心的能量密度，同時增加邊緣附近的能量密度，同時保持波前像差在掌握之中。
·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，并且如果使用衍射光學(xué)元件也更容易。
展開 SYNOPSYS?光學(xué)設(shè)計軟件---非球面激光束整形器
概述
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為什么使用非球面設(shè)計激光整形器
激光整形器初始系統(tǒng)
優(yōu)化模擬退火
FLUX非球面設(shè)計的光通量均勻性
TFAN子午光扇分析
DPROP衍射傳播特性
ADEF非球面鏡與最佳擬合球體距離
ADEF最佳擬合球體條紋圖
設(shè)置工作目錄
選擇Dbook工作目錄
參考Donald Dilworth《Lens Design Automatic and quasi-autonomous computational methods and techniques》第16章
為什么使用非球面透鏡
使用全球面透鏡設(shè)計激光整形器需要六片透鏡。
使用非球面或衍射元件需要更少的透鏡，因此值 得額外的制造麻煩。
六個球面透鏡是否比兩個非球面鏡更便宜？如果 沒有，那么非球面設(shè)計看起來更具吸引力。
展開 LLNL研究人員使用激光束整形來增強金屬3D打印過程中的特性
該團(tuán)隊使用的是簡單的光束整形光學(xué)元件，理論上在商業(yè)化層面上可以實現(xiàn)。
因此，通過利用這種光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計熱梯度，可以通過在構(gòu)建過程中調(diào)制光束形狀來控制特定位置的等軸或柱狀晶粒，研究人員在Concept Laser的設(shè)備上進(jìn)行了對316L不銹鋼粉末的加工。在單軌激光熔化實驗期間使用316L不銹鋼基板。在他們的LPBF測試平臺中，該團(tuán)隊通過50毫米FL透鏡來控制600 W光纖激光器的光束。
利用LLNL的ALE3D數(shù)值模擬軟件工具，研究人員模擬了實際的粒度分布和隨機粒子堆積，然后通過使用激光射線追蹤算法模擬激光與實際粉末床的相互作用。通過混合有限元法解決了三維模型在非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格上的元素和有限體積公式。為了節(jié)省計算時間，掃描速度設(shè)定為1800mm / s，能量密度為61J / mm 3。
使用LLNL的ALE3D代碼模擬激光模型相互作用，可以研究光束形狀對軌道宏觀和微觀結(jié)構(gòu)的影響。研究人員確定“較低的激光功率下凝固對等軸晶的形成是有利的”，與光束橢圓度無關(guān)。當(dāng)功率和掃描速度上升時，柱狀晶粒的濃度通常增加，這時候可以通過改變光束橢圓率來實現(xiàn)特定位置的微觀結(jié)構(gòu)控制。此外，使用交替光束形狀的完整構(gòu)建甚至可以實現(xiàn)更復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)。
研究人員還研究了高斯和橢圓激光強度分布對單軌微觀結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)激光加熱發(fā)生熱傳導(dǎo)模式時，橢圓形強度的光斑比圓形輪廓的光斑在大得多的參數(shù)空間上產(chǎn)生等軸或混合等軸柱狀晶粒。這表明晶粒形態(tài)可以通過改變光束強度和空間輪廓來定制，同時保持恒定的激光功率和掃描速度。
展開 衍射光學(xué)元件光束整形、分束和擴散
衍射光學(xué)元件光整形
光學(xué)軟件VirtualLab可以用來設(shè)計和模擬用于激光光束整形的衍射光學(xué)元件。衍射光學(xué)工具箱使用強大的迭代傅里葉變換算法（IFTA）和參數(shù)優(yōu)化可以用來優(yōu)化：
? 衍射光學(xué)元件
? 衍射光束分束器
? 衍射擴散器
? 衍射和折射光束整形器
? 計算全息（CGH）
? 相位板
? 全息圖
被紅色和綠色激光照射的衍射線擴散器和環(huán)擴散器
衍射光學(xué)元件可以用包括聚焦透鏡，準(zhǔn)直透鏡，光束擴展器和傅立葉透鏡來建模。光學(xué)模擬包括：
? 衍射
? 干涉
? 偏振
? 時間和空間相干度
? 強度
? 相位
? 像差
衍射光學(xué)元件可以用于各種光學(xué)系統(tǒng)來操縱激光，經(jīng)典的應(yīng)用包括：
? 材料處理
? 信息顯示
? 測量系統(tǒng)
? 自由空間通訊
? 汽車行業(yè)
? 軍事
? 光譜學(xué)
衍射光分束器產(chǎn)生的光斑 (由POG, Gera加工)
功能
衍射光學(xué)元件在您的激光系統(tǒng)中將會有以下功能：
? 控制衍射和干涉效應(yīng)
? 客戶自定義激光光束分束后的每束光的功率
? 設(shè)計已確定特性的散射板
? 激光光束強度整形
? 使激光系統(tǒng)緊湊
? 產(chǎn)生任意的2D強度分布
? 使用IFTA快速優(yōu)化成百上千個參數(shù)
一個衍射光分束器元件的一個周期的二元高度輪廓
衍射光分束器
衍射光束分束器可以將一束激光分成自定義數(shù)目的光束，每束光可以有自定義的功率和角度。光分束器一般和準(zhǔn)直透鏡，聚焦透鏡，擴束器以及傅里葉透鏡一起使用。目標(biāo)平面光束的尺寸一般由透鏡系統(tǒng)控制，而光束的位置和功率由衍射光束分束器控制。
展開 
三角孔徑衍射誤差難分析？OAS 軟件深度仿真解難題
三角孔徑衍射案例分析
簡介
衍射是光學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)物理效應(yīng)，非規(guī)則孔徑（如三角形孔徑）的衍射特性在光學(xué)成像、激光束整形、光場調(diào)控等場景中具有重要應(yīng)用價值。傳統(tǒng)物理實驗需反復(fù)調(diào)整光源、孔徑與探測設(shè)備，成本高且周期長，因此需借助專業(yè)光學(xué)仿真軟件構(gòu)建精準(zhǔn)模型，高效分析三角孔徑的衍射規(guī)律。本案例以高斯光束為研究對象，基于 OAS 光學(xué)軟件實現(xiàn)三角孔徑的建模與衍射仿真，目標(biāo)是獲取遠(yuǎn)場衍射圖樣及光強分布數(shù)據(jù)，為后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計提供理論支撐。
案例設(shè)置與操作
光源建模
在 OAS 軟件光源模塊中選擇 “高斯光束” 類型，輸入束腰半徑 4.5mm、波長 0.6328μm，設(shè)置光束傳播方向沿光軸正方向，同時勾選 “光束質(zhì)量監(jiān)控” 選項，確保光源參數(shù)與實際實驗條件一致。
孔徑結(jié)構(gòu)構(gòu)件
首先通過 “自定義曲線” 工具，以光軸中心為原點，輸入三角形三個頂點坐標(biāo)（如 (0,8mm)、(-7mm,-4mm)、(7mm,-4mm)），生成對稱三角形圖形；隨后創(chuàng)建半孔徑 15mm 的矩形平面（全孔徑 30mm，確保矩形范圍完全覆蓋三角形）；最后調(diào)用軟件布爾運算功能，選擇 “矩形平面 - 三角形” 差集運算，去除矩形中三角形以外區(qū)域，生成三角孔徑結(jié)構(gòu)，過程中通過實時預(yù)覽功能調(diào)整頂點坐標(biāo)，保證孔徑尺寸精度。
仿真結(jié)果與分析
使用OAS的衍射仿真功能，基于基爾霍夫衍射理論計算三角孔徑的遠(yuǎn)場衍射過程，輸出衍射圖樣與光強分布曲線。結(jié)果顯示：遠(yuǎn)場衍射圖樣呈中心對稱分布，中央主極大光斑為三角形輪廓，周圍環(huán)繞 3 組明暗交替的衍射條紋，條紋間距隨衍射角增大而減小。
光強分布曲線表明，中央主極大強度約為一級旁瓣強度的 12.5 倍，主極大半寬度約 0.78mrad。
展開 衍射光學(xué)：超短激光脈沖如何影響光束整形光學(xué)
操作原理非常簡單：對于準(zhǔn)直入射光束，輸出光束以預(yù)先設(shè)計的分離角度和強度出射DOE，通過光束整形器，激光束被聚焦成設(shè)計好的尺寸和形狀。 DOE的常見應(yīng)用包括醫(yī)療系統(tǒng)、測量以及科學(xué)/研究應(yīng)用——特別是DOE提供的激光束成形和均勻化技術(shù)對于材料加工至關(guān)重要1。
雖然DOE用途廣泛，功能強大，但由于功能強烈依賴于光波波長2 ，其具有很高的色散效應(yīng)。當(dāng)使用USP激光器時，由于脈沖持續(xù)時間短，可能會產(chǎn)生異常的光譜特性，這一現(xiàn)象引起了人們的關(guān)注。由于工作波長不同于其標(biāo)稱值，USP的寬光譜范圍會對使用DOE的光束整形產(chǎn)生影響，因此當(dāng)使用一定范圍的波段而不是單個波長時，需要預(yù)測整形光斑將如何變化。
根據(jù)傅里葉理論，時域中的脈沖持續(xù)時間越短，頻域中的頻譜寬度越大。這導(dǎo)致USP激光器呈現(xiàn)時間色散效應(yīng)。對于中心波長為800nm的高斯脈沖，典型的脈沖展寬為Δλ= 1 nm，對應(yīng)于1000 fs脈沖，Δλ= 10 nm對應(yīng)于100 fs脈沖。
光束整形與分束
DOE產(chǎn)品有兩個主要系列：分束器和光束整形器。分束器是用于將單個激光束分成幾個具有不同能量水平和傳播角度光束的DOE。根據(jù)元件表面上的衍射圖案，分束器可以產(chǎn)生一維光束陣列（1×N）或二維光束矩陣（M×N）。光束分束器與單色光一起使用，并被設(shè)計用于特定的波長和輸出光束之間的分離角。
光束整形器是用于將近高斯入射激光束變換成在特定工作平面中具有明顯邊界的圓形、矩形、正方形、線或其它形狀的強度均勻光斑的DOE。通過光束整形器實現(xiàn)的均勻強度分布能夠均勻地處理表面，防止對工件的過度曝光或曝光不足。此外，光斑的特征在于存在一個鮮明的過渡區(qū)，使得在處理區(qū)域和未處理區(qū)域之間形成清晰的邊界。光束整形器包括均化器，平頂光束整形器，渦旋透鏡（螺旋相位板）和衍射錐透鏡。
展開 LED光和鐳射激光的均勻化和整形
均勻化的概念
VirtualLab光學(xué)仿真和設(shè)計軟件能夠設(shè)計用于LED和準(zhǔn)分子激光均勻化和整形的照明系統(tǒng)。可以通過微型光學(xué)元件來實現(xiàn)光束的均勻化和整形，例如：
? 微透鏡陣列
? 衍射擴散器
? 計算機生成的全息圖
? 相位板
? 單元陣列
紅色LED照射衍射擴散器產(chǎn)生的天際線圖案
光學(xué)仿真和設(shè)計包括:
? 衍射
? 干涉
? 空間和時間相干度
? 像差
? 偏振
? 光強
應(yīng)用
用于LED和準(zhǔn)分子激光均勻化的微光學(xué)照明系統(tǒng)可以用在各個領(lǐng)域，包括：
? 信息顯示
? 測量系統(tǒng)
? 室內(nèi)照明
? 汽車
? 軍事
? 光刻
用于白光LED消色差整形的微透鏡陣列的3D表面
優(yōu)點Benefits
微光學(xué)元件的照明系統(tǒng)有以下幾大優(yōu)點：
? 可實現(xiàn)LED 和準(zhǔn)分子激光的均勻化和整形.
? 產(chǎn)生任意的二維圖案.
? 對光源輻射特性變化的低靈敏度.
? 非常緊湊的照明系統(tǒng).
包含一個光柵元胞陣列的照明系統(tǒng)光線追跡模擬
微透鏡陣列
微透鏡陣列，也叫做“蠅眼聚光器”可以被用在LED和準(zhǔn)分子激光器均質(zhì)化的各種光學(xué)裝置中，微透鏡陣列有以下光學(xué)特性：
? 光分布整形取決于透鏡口徑和透鏡表面.
? 常被用來產(chǎn)生圓形、矩形和六角形光分布.
? 可以產(chǎn)生一般的二維圖案.
? 單色光和白光的整形.
六角形透鏡陣列可以用來產(chǎn)生六角形光分布.
衍射擴散器
衍射擴散器，如相位板和計算機生成全息圖，是經(jīng)過計算機優(yōu)化的表面輪廓散射元件，衍射擴散器有以下光學(xué)性質(zhì)：
? Diffuser在一目標(biāo)平面上產(chǎn)生大量的重疊斑點（衍射級次）.
? 生成任意的二維圖案.
展開 衍射光學(xué)：超短激光脈沖如何影響光束整形光學(xué)
DOE的常見應(yīng)用包括醫(yī)療系統(tǒng)、測量以及科學(xué)/研究應(yīng)用——特別是DOE提供的激光束成形和均勻化技術(shù)對于材料加工至關(guān)重要1。
雖然DOE用途廣泛，功能強大，但由于功能強烈依賴于光波波長2 ，其具有很高的色散效應(yīng)。當(dāng)使用USP激光器時，由于脈沖持續(xù)時間短，可能會產(chǎn)生異常的光譜特性，這一現(xiàn)象引起了人們的關(guān)注。由于工作波長不同于其標(biāo)稱值，USP的寬光譜范圍會對使用DOE的光束整形產(chǎn)生影響，因此當(dāng)使用一定范圍的波段而不是單個波長時，需要預(yù)測整形光斑將如何變化。
根據(jù)傅里葉理論，時域中的脈沖持續(xù)時間越短，頻域中的頻譜寬度越大。這導(dǎo)致USP激光器呈現(xiàn)時間色散效應(yīng)。對于中心波長為800nm的高斯脈沖，典型的脈沖展寬為Δλ= 1 nm，對應(yīng)于1000 fs脈沖，Δλ= 10 nm對應(yīng)于100 fs脈沖。
光束整形與分束
DOE產(chǎn)品有兩個主要系列：分束器和光束整形器。分束器是用于將單個激光束分成幾個具有不同能量水平和傳播角度光束的DOE。根據(jù)元件表面上的衍射圖案，分束器可以產(chǎn)生一維光束陣列（1×N）或二維光束矩陣（M×N）。光束分束器與單色光一起使用，并被設(shè)計用于特定的波長和輸出光束之間的分離角。
光束整形器是用于將近高斯入射激光束變換成在特定工作平面中具有明顯邊界的圓形、矩形、正方形、線或其它形狀的強度均勻光斑的DOE。通過光束整形器實現(xiàn)的均勻強度分布能夠均勻地處理表面，防止對工件的過度曝光或曝光不足。此外，光斑的特征在于存在一個鮮明的過渡區(qū)，使得在處理區(qū)域和未處理區(qū)域之間形成清晰的邊界。光束整形器包括均化器，平頂光束整形器，渦旋透鏡（螺旋相位板）和衍射錐透鏡。
展開 SYNOPSYS 光學(xué)設(shè)計軟件課程四十六：一個激光二極管光束整形器
課程四十六：一個激光二極管光束整形器
這節(jié)課將展示如何設(shè)計從一個激光二極管到一個圓形準(zhǔn)直光束的光學(xué)轉(zhuǎn)換器。我們從一個典型的激光二極管的規(guī)格開始，它在 X 方向和 Y 方向上有不同的發(fā)散角，設(shè)計任務(wù)比較復(fù)雜。以下是我們的設(shè)計規(guī)格:
Y 方向的光束發(fā)散度: 8.5°
X 方向的光束發(fā)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(shù)。首先我們要把發(fā)散角轉(zhuǎn)換成半徑值。
在用戶手冊的3.1.2節(jié)中，我們了解到該程序利用公式將光束半徑轉(zhuǎn)換為發(fā)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(xiàn)在我們創(chuàng)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(jié)構(gòu)簡單初始結(jié)構(gòu)。
展開 衍射透鏡設(shè)計激光光束整形器 | SYNOPSYS 光學(xué)設(shè)計軟件第75課
</span></p><p class="ql-align-justify"><br></p><p class="ql-align-center"><strong style="color: rgb(51, 51, 51);">2.1設(shè)計要求</strong></p><p class="ql-align-center"><br></p><p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(51, 51, 51);">下面是一個衍射透鏡設(shè)計激光光束整形器的指標(biāo)：</span></p><p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(51, 51, 51);">將最細(xì)直徑為0.35 mm的氦氖激光束擴展成變動范圍在10%以內(nèi)的直徑為 10 mm 的均勻激光束。只使用兩個元件, 每個的一側(cè)都有一個 DOE。
展開 用于激光束聚焦的雙透鏡優(yōu)化
擴展閱讀
以下文件給出了如何在VirtualLab中設(shè)置和分析激光系統(tǒng)的更多細(xì)節(jié)
? 啟動視頻
— 光路圖介紹
— 參數(shù)運行介紹
基于zemax的激光合束過程分析
圖5 光纖與聚焦鏡的關(guān)系
圖6 聚焦鏡結(jié)構(gòu)示意圖
f_m=r/(n-1)，聚焦鏡玻璃為H-LAF10，相應(yīng)的折射率和阿貝數(shù)為1.787和47.5，計算相應(yīng)的焦距為4mm
圖7 準(zhǔn)直鏡的示意圖
圖8 聚焦鏡結(jié)構(gòu)圖
圖9 激光合束結(jié)構(gòu)圖
最后，有相關(guān)需求歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯(lián)絡(luò)。
基于Zemax平臺的激光擴束系統(tǒng)的設(shè)計
設(shè)計一個在波長λ =0.6382μm下操作的激光擴束器，光束輸入直徑為5mm，輸出直徑為25mm，輸入輸出均為準(zhǔn)直光。系統(tǒng)總長不超過250mm.在實際的使用過程中,希望鏡頭的擴束效果比較好,所以在激光擴束后,波前差的PTV值小于λ/10.
對于激光擴束鏡，有兩種經(jīng)典的結(jié)構(gòu)，一種是開普勒型，一種是伽利略型。開普勒型在中間有個聚焦點，伽利略型卻沒有。對于激光擴束鏡而言，優(yōu)先使用伽利略型。
設(shè)計步驟
1.系統(tǒng)設(shè)定
設(shè)置入瞳直徑5mm，無焦像空間。
零度視場
0.6328um波長
2. 建立初始結(jié)構(gòu)
依據(jù)下圖的LDE 表鍵入各surface 的相關(guān)值
查看初始結(jié)構(gòu)的波前差，初始結(jié)構(gòu)的波前差有234的波長.
優(yōu)化結(jié)構(gòu)
將鏡片曲率和厚度設(shè)置成變量
打開merit function，在第1 行中把operand type 改為TTHI ,用來讀取系統(tǒng)總裁。在本設(shè)計中，要求總長小于250，第2行operand type 改為OPLT來控制總長。第3行operand type 改為reay，輸出直徑為25mm，在srf#中鍵入6，目標(biāo)值設(shè)為12.5mm，表示在surface 中要控制他的ray height。
優(yōu)化后，PTV值為0.0757波長。滿足設(shè)計要求
最后，如果有Zemax仿真相關(guān)需求，歡迎通過微信公眾號聯(lián)系我們。
微信公眾號：320科技工作室。
展開 VirtualLab：使用空間濾波器進(jìn)行激光束“清理”
摘要
獲得良好的光束質(zhì)量對于許多激光應(yīng)用都很重要，而獲得良好光束質(zhì)量的典型實驗方法是空間濾波。在空間濾波系統(tǒng)中，將針孔放置在中間焦平面（即傅立葉平面）上，以消除不想要的空間頻率分量。為了對這類系統(tǒng)進(jìn)行建模，我們必須考慮到來自針孔的衍射和激光束的衍射特性。在此示例中，我們演示了空間濾波的效果。
建模任務(wù)
直徑為7.5μm的空間濾波器
直徑為5.0μm的空間濾波器
直徑為2.5μm的空間濾波器
輸出光束輪廓和功率比較
走進(jìn)VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion工作流程
?設(shè)置輸入高斯場
?基本光源模型[教程視頻]
?從ZemaxOpticStudio?導(dǎo)入鏡頭系統(tǒng)
?從Zemax導(dǎo)入光學(xué)系統(tǒng)[用例]
?設(shè)置組件的位置和方向
?LPD II：位置和方向[教程視頻]
?正確設(shè)置傅立葉變換
VirtualLab Fusion技術(shù)
文件信息
更多閱覽
- Pinhole Modeling in a Low-Fresnel-Number System
- Automatic Selection of Fourier Transform Techniques in Free-Space Propagation Operator
展開 使用空間濾波器進(jìn)行激光束“清理”
摘要
獲得良好的光束質(zhì)量對于許多激光應(yīng)用都很重要，而獲得良好光束質(zhì)量的典型實驗方法是空間濾波。 在空間濾波系統(tǒng)中，將針孔放置在中間焦平面（即傅立葉平面）上，以消除不想要的空間頻率分量。為了對這類系統(tǒng)進(jìn)行建模，我們必須考慮到來自針孔的衍射和激光束的衍射特性。在此示例中，我們演示了空間濾波的效果。
建模任務(wù)
直徑為7.5μm的空間濾波器
直徑為5.0μm的空間濾波器
直徑為2.5μm的空間濾波器
輸出光束輪廓和功率比較
走進(jìn)VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion工作流程
?設(shè)置輸入高斯場
?基本光源模型[教程視頻]
?從ZemaxOpticStudio?導(dǎo)入鏡頭系統(tǒng)
?從Zemax導(dǎo)入光學(xué)系統(tǒng)[用例]
?設(shè)置組件的位置和方向
?LPD II：位置和方向[教程視頻]
?正確設(shè)置傅立葉變換
VirtualLab Fusion技術(shù)
文件信息
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