衍射光束成形的案例
VirtualLab Fusion：模擬由衍射光束整形器和非球面透鏡組成的非近軸光束整形系統(tǒng)
MO.001（1.3）
作者：Michael Kuhn （LightTrans）
相關案例：23.01
相關教程：-
需求：VirtualLab Fusion-基本工具箱
許可證：CC-BY-SA 3.0
1.建模任務
? 偏振：x方向的線性偏振
? 激光直徑（1/e2）：3.26mm
? 波長：632.8nm
衍射光束整形器元件傳輸
像素大小：21.5×21.5um
像素：250×250
直徑：5.4×5.4mm
相位級次：4
2.光路圖
開始光學系統(tǒng)仿真
3.系統(tǒng)仿真
? 目標屏上的強度
? 效率：72%
? 均勻性誤差：3.7%
4.結論
? 可以仿真近軸和非近軸透鏡以及透鏡系統(tǒng)。
? 已存儲的傳輸函數(shù)允許將任意振幅和相位調節(jié)引入到光波。
? 允許仿真衍射光學元件產生的效應。
展開 無衍射貝塞爾光束的生成
如今，貝塞爾光束和相似的非衍射光束已不僅僅在實驗室中生成，更被廣泛用于不同的應用中。為了更好地利用此類光束，必須更深入地研究和理解其性能。作為一個典型的示例，我們演示了如何用錐透鏡產生貝塞爾光束，并且遵循O.Brzobohaty等人的工作，我們研究了錐透鏡的圓形尖端對所得的貝塞爾光束產生的影響。
由圓頂錐透鏡生成貝塞爾光束 我們用帶有圓形尖端的錐透鏡建模生成貝塞爾光束，并研究圓形尖端如何影響貝塞爾光束的演化。
可編程函數(shù) 在本文件中，我們以圓柱透鏡為例說明如何使用可編程函數(shù)。 了解更多信息請發(fā)送郵件至: support@infotek.com.cn / support@infocrops.com網(wǎng)址: http://www.infotek.com.cn / http://www.honglun-seminary.com
展開 無衍射貝塞爾光束的生成
由圓頂錐透鏡生成貝塞爾光束
如今，貝塞爾光束和相似的非衍射光束已不僅僅在實驗室中生成，更被廣泛用于不同的應用中。為了更好地利用此類光束，必須更深入地研究和理解其性能。作為一個典型的示例，我們演示了如何用錐透鏡產生貝塞爾光束，并且遵循O.Brzobohaty等人的工作，我們研究了錐透鏡的圓形尖端對所得的貝塞爾光束產生的影響。
可編程函數(shù)
我們用帶有圓形尖端的錐透鏡建模生成貝塞爾光束，并研究圓形尖端如何影響貝塞爾光束的演化。
在本文件中，我們以圓柱透鏡為例說明如何使用可編程函數(shù)。
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展開 [NEWSLETTER] 無衍射貝塞爾光束的生成
如今，貝塞爾光束和相似的非衍射光束已不僅僅在實驗室中生成，更被廣泛用于不同的應用中。為了更好地利用此類光束，必須更深入地研究和理解其性能。作為一個典型的示例，我們演示了如何用錐透鏡產生貝塞爾光束，并且遵循O.Brzobohaty等人的工作，我們研究了錐透鏡的圓形尖端對所得的貝塞爾光束產生的影響。
由圓頂錐透鏡生成貝塞爾光束
我們用帶有圓形尖端的錐透鏡建模生成貝塞爾光束，并研究圓形尖端如何影響貝塞爾光束的演化。
可編程函數(shù)
在本文件中，我們以圓柱透鏡為例說明如何使用可編程函數(shù)。
了解更多信息請發(fā)送郵件至: support@infotek.com.cn / support@infocrops.com
展開 
無衍射貝塞爾光束的生成
如今，貝塞爾光束和相似的非衍射光束已不僅僅在實驗室中生成，更被廣泛用于不同的應用中。為了更好地利用此類光束，必須更深入地研究和理解其性能。作為一個典型的示例，我們演示了如何用錐透鏡產生貝塞爾光束，并且遵循O.Brzobohaty等人的工作，我們研究了錐透鏡的圓形尖端對所得的貝塞爾光束產生的影響。 由圓頂錐透鏡生成貝塞爾光束
我們用帶有圓形尖端的錐透鏡建模生成貝塞爾光束，并研究圓形尖端如何影響貝塞爾光束的演化。
可編程函數(shù)
在本文件中，我們以圓柱透鏡為例說明如何使用可編程函數(shù)。
展開 VirtualLab Fusion：衍射光束整形鏡的優(yōu)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(shù)。
? 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(fā)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(shù)。
? 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(shù)。
? 第二步：由透射光束整形器的光學函數(shù)計算反射鏡的光學函數(shù)。
第一步
優(yōu)化一個衍射光束整形器的透過率函數(shù)
1.
展開 VirtualLab Fusion：衍射光束整形鏡的優(yōu)化（2）
結論
? VirtualLab Fusion可以設計衍射光束整形元件來將單模激光光束塑造成任意二維強度分布。
? 可以通過衍射透射DOEs以及反射DOEs進行光束整形。
? 通過對透射DOE的光學函數(shù)進行數(shù)值計算從而獲得反射DOEs的光學函數(shù)。
VirtualLab運用：衍射光束整形鏡的優(yōu)化
結論
?VirtualLab Fusion可以設計衍射光束整形元件來將單模激光光束塑造成任意二維強度分布。
?可以通過衍射透射DOEs以及反射DOEs進行光束整形。
?通過對透射DOE的光學函數(shù)進行數(shù)值計算從而獲得反射DOEs的光學函數(shù)。
衍射光學元件光束整形、分束和擴散
衍射光學元件光整形
光學軟件VirtualLab可以用來設計和模擬用于激光光束整形的衍射光學元件。衍射光學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
衍射光學元件可以用包括聚焦透鏡，準直透鏡，光束擴展器和傅立葉透鏡來建模。光學模擬包括：
? 衍射
? 干涉
? 偏振
? 時間和空間相干度
? 強度
? 相位
? 像差
衍射光學元件可以用于各種光學系統(tǒng)來操縱激光，經典的應用包括：
? 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
衍射光分束器產生的光斑 (由POG, Gera加工)
功能
衍射光學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
? 客戶自定義激光光束分束后的每束光的功率
? 設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。光分束器一般和準直透鏡，聚焦透鏡，擴束器以及傅里葉透鏡一起使用。目標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 VirtualLab運用：模擬衍射光束分束器元件
案例23（2.0）
1.模擬任務
此案例介紹了如何使用VirtualLab Fusion 的雙界面元件來模擬一個衍射光束分束器元件。表面輪廓是由離散高度采樣定義的。因此，我們將使用采樣界面來進行模擬。
\
衍射光束分束器的表面輪廓
2.設計步驟
1)點擊Start→Diffractive Optics→Regular Array Beam Splitter以進入規(guī)則分束器設計會話編輯界面。
2)點擊Next，設置輸入光束參數(shù)，選擇束腰和發(fā)散角定義類型為1/e2 Waist Diameter, Divergence Full Angle，先設置波長為532nm，后期對光源參數(shù)進行更改，腰束直徑為200um。
展開 衍射光學：超短激光脈沖如何影響光束整形光學
DOE的常見應用包括醫(yī)療系統(tǒng)、測量以及科學/研究應用——特別是DOE提供的激光束成形和均勻化技術對于材料加工至關重要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。當使用USP激光器時，由于脈沖持續(xù)時間短，可能會產生異常的光譜特性，這一現(xiàn)象引起了人們的關注。由于工作波長不同于其標稱值，USP的寬光譜范圍會對使用DOE的光束整形產生影響，因此當使用一定范圍的波段而不是單個波長時，需要預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。這導致USP激光器呈現(xiàn)時間色散效應。對于中心波長為800nm的高斯脈沖，典型的脈沖展寬為Δλ= 1 nm，對應于1000 fs脈沖，Δλ= 10 nm對應于100 fs脈沖。
光束整形與分束
DOE產品有兩個主要系列：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 
利用衍射擴散器使準分子激光光束均勻化
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。
展開 衍射光學：超短激光脈沖如何影響光束整形光學
操作原理非常簡單：對于準直入射光束，輸出光束以預先設計的分離角度和強度出射DOE，通過光束整形器，激光束被聚焦成設計好的尺寸和形狀。 DOE的常見應用包括醫(yī)療系統(tǒng)、測量以及科學/研究應用——特別是DOE提供的激光束成形和均勻化技術對于材料加工至關重要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。當使用USP激光器時，由于脈沖持續(xù)時間短，可能會產生異常的光譜特性，這一現(xiàn)象引起了人們的關注。由于工作波長不同于其標稱值，USP的寬光譜范圍會對使用DOE的光束整形產生影響，因此當使用一定范圍的波段而不是單個波長時，需要預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。這導致USP激光器呈現(xiàn)時間色散效應。對于中心波長為800nm的高斯脈沖，典型的脈沖展寬為Δλ= 1 nm，對應于1000 fs脈沖，Δλ= 10 nm對應于100 fs脈沖。
光束整形與分束
DOE產品有兩個主要系列：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 VirtualLab Fusion應用：衍射光束擴散器產生LightTrans標識的設計與分析
摘要
衍射擴散器可以被設計來創(chuàng)建任何圖案。在這里，我們展示了 VirtualLab Fusion的一些可能性，以設計、優(yōu)化、建模和仿真這種衍射光學元件（DOE）并把公司的標志投射到一幢大樓上。有不同的方法來生成光的圖案。利用相干激光和衍射擴散器元件，可以實現(xiàn)良好的效率和有趣的光紋理，這將在下面進行演示。
避免0級衍射產生的影響
為了阻擋0級衍射，衍射擴散器將被設計成產生一個離軸LightTrans標志。
結果預覽
光束和圖案條件→設計目標圖案（DTP）
光束：尺寸評估
圖案：導入、準備、預變形、采樣考慮
15m處的光斑尺寸
擴散器元件以創(chuàng)建所需圖案的方式偏轉入射光束。分辨率由單個光束點的大小決定。通過一個簡單的光學設置，我們確定可實現(xiàn)的光斑直徑為≥5毫米。
同時，我們已經可以識別出哪種束腰還沒有完全進入目標平面遠場。
關于設計目標模式（DTP）的相關信息
用于設計的迭代傅里葉變換算法（IFTA）用于在準直光照明的透射函數(shù)平面與k域偏轉光方向的相關目標值之間進行優(yōu)化。
對于近軸系統(tǒng)，k域的模式與平行于DOE平面的空間域的模式成正比。
對于這里提出的設計，因此必須在這個平行平面中定義模式。
這種幾何扭曲的圖案可以很容易地使用另一個簡單的光學設置。
用于設計的預扭曲圖案
通過下面的光學設置，我們可以很容易地計算出預期屏幕上任何期望的投影光形狀在平行于DOE傾斜的平面上的樣子。這些扭曲的圖案可用于設計過程。
采樣和測試DTP
根據(jù)所需的光圖案紋理，必須考慮一個合適的圖案采樣，因為DTP的每個像素中心代表一個由擴散器偏轉的光束的目標位置。
根據(jù)我們在此場景中的經驗和意圖，我們選擇了5 mm的采樣距離。
展開 VirtualLab Fusion應用：衍射光束擴散器產生LightTrans標識的設計與分析
每個像素代表一個衍射級次。
相鄰的圖顯示了不同設計模式下的衍射級次。
可視化IFTA設計評估（振幅）
想了解更多信息，請參見附錄。
通過使用IFTA的調整選項，4臺階設計可以顯著優(yōu)化。
從優(yōu)化的4臺階相位傳輸函數(shù)中得到的結果
