激光光束整形的案例
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）和參數優化可以用來優化：
? 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來操縱激光，經典的應用包括：
? 材料處理
? 信息顯示
? 測量系統
? 自由空間通訊
? 汽車行業
? 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
? 使激光系統緊湊
? 產生任意的2D強度分布
? 使用IFTA快速優化成百上千個參數
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控制，而光束的位置和功率由衍射光束分束器控制。
展開 衍射透鏡設計激光光束整形器 | SYNOPSYS 光學設計軟件第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計激光光束整形器的指標：</span></p><p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(51, 51, 51);">將最細直徑為0.35 mm的氦氖激光束擴展成變動范圍在10%以內的直徑為 10 mm 的均勻激光束。只使用兩個元件, 每個的一側都有一個 DOE。
展開 SYNOPSYS 光學設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?，F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。
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的常見應用包括醫療系統、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，由于脈沖持續時間短，可能會產生異常的光譜特性，這一現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。
根據傅里葉理論，時域中的脈沖持續時間越短，頻域中的頻譜寬度越大。這導致USP激光器呈現時間色散效應。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，使得在處理區域和未處理區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 
衍射光學：超短激光脈沖如何影響光束整形光學
DOE的常見應用包括醫療系統、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，由于脈沖持續時間短，可能會產生異常的光譜特性，這一現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。
根據傅里葉理論，時域中的脈沖持續時間越短，頻域中的頻譜寬度越大。這導致USP激光器呈現時間色散效應。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，使得在處理區域和未處理區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 Science子刊：非衍射光束整形，改善金屬增材制造的缺陷問題！
更直觀的是，在L-PBF過程中引發熔化的激光強度曲線應該影響熔池的空間分布，從而影響熱梯度和凝固動力學。然而，過程激光束的強度分布往往被忽視，研究很少，這可能是因為大多數高功率商業激光器輸出的是TEM00模式，通常稱為高斯光束。高斯光束的特征是在1/e2束腰內具有強局域化，其中包含約86%的入射功率。
由于在緊密聚焦區域提供的高峰值強度，高斯束誘導的熔體池非常容易發生(i)匙孔現象，這是由于熔體池的汽化和在底層熔體池上的反沖壓力的積累而發生的，以及(ii)飛濺的產生，即：噴出未熔化或熔化的粉末顆粒。匙孔和噴濺，都對印刷品的宏觀和介觀性能有不利影響，因為它們會導致印刷品孔隙的形成和較差的表面質量。在調整熱分布方面缺乏靈活性，這是控制熔化池流體動力學導致的其他不希望的影響的主要挑戰，包括激光-物質和激光-羽流相互作用以及孔隙度、相對密度和表面粗糙度之間的相互作用。高表面粗糙度的印刷產品，已證明有助于急劇減少疲勞壽命。
近年來，激光光束整形技術被應用于工程光與物質相互作用領域，以解決聚焦高斯光束在金屬AM中的不足。
展開 VirtualLab Fusion：衍射光束整形鏡的優化（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的光學函數進行數值計算從而獲得反射DOEs的光學函數。
VirtualLab運用：衍射光束整形鏡的優化
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。
?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。
?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。
?第二步：由透射光束整形器的光學函數計算反射鏡的光學函數。
展開 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
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?。?1.5×21.5um
像素：250×250
直徑：5.4×5.4mm
相位級次：4
2.光路圖
開始光學系統仿真
3.系統仿真
? 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。
? 已存儲的傳輸函數允許將任意振幅和相位調節引入到光波。
? 允許仿真衍射光學元件產生的效應。
展開 VirtualLab：應用參數運行對光束整形元件進行公差模擬
?這個案例使用了稍微修改過的案例LBS.001的光束整形器系統，應用單參數和蒙特.卡羅方法來對系統進行公差分析。
?
4.建模任務
分析系統的以下公差：
5. 模擬對齊公差
?模擬元件的對齊公差必須在Stored Function元件的Position/Orientation標題下選擇Isolated Positioning標簽并勾選Use Isolated Translation以激活公差分析功能。
?公差值由Parameter Run進行改變。在元件對話框中的值可以忽略。
6.模擬刻蝕深度公差
?模擬掩膜刻蝕深度誤差必須在Stored Function元件的Function頁面中進行激活。
?公差值必須由Parameter Run進行改變。忽略元件對話框中的相關設置。
?公差值1代表的是理想的刻蝕深度。
7. 單參數變化
?激光光束半徑對光束整形系統的光學性能有強烈的影響。
?Usage Mode（使用模式）：選擇Standard（標準）模式以改變單個參數。
?選擇腰束半徑X作為變化的參數。
?光束整形系統對激光光束半徑的變化非常的敏感。
?信噪比（SNR）將減小到28dB。
8.蒙特卡洛模擬
模擬結果
?依據于隨機參數集的SNR變化。
?最小SNR可以通過在菜單中點擊Detectors-Minimum（Position and Value）探測圖蒙特卡羅結果中的最小值以及位置。
?最小SNR：22.2dB
?平均SNR：28.5dB
9.
展開 VirtualLa Fusion：折射光束整形元件參數優化以實現圓形高帽整形
案例307.01
這個例子演示了由折射光束整形器會話編輯器來設置光束整形器系統。生產的系統的光學性能可以由VirtualLab Fusion的參數優化得到改善。
1.建模任務
2. 系統設置的會話編輯器
? 應用折射光束整形器會話編輯器輔助搭建標準的光束整形系統。
? 必須指定入射光束，光學設置和輸出場的參數。
? 所有參數的會話編輯器都存儲在該文件中“Scenario_307.01_Refractive_Top_Hat_Beam_Shaper_1.seditor”
（1）設置入射場參數，波長為632.8nm，腰束直徑為8mm
（2）光學設置選擇Fresnel Setup
（3）設置到輸出場的距離為200mm
（4）輸出場整形設置：維度為2D Top Hat，Circular Shape形狀。
（5）設置期望的Top Hat尺寸
（6）評價函數設置
（7）光束整形器孔徑直徑設置（默認情況下自動設置）
（8）選擇整形器材料以及設置中心厚度
（9）確定光束整形器非球面系數級次范圍
點擊Finish，完成設計
3. 由會話編輯器生成系統
會話編輯器生成一個包含高斯波光源，光學界面系列元件的光路圖，來模擬光束整形器和衍射光學價值函數探測器，來分析生成的Top Hat質量。
? 通過一個解析幾何光學方法，會話編輯器計算光束整形表面。
展開 
VirtualLab運用：折射光束整形元件參數優化以實現圓形高帽整形
案例307.01
這個例子演示了由折射光束整形器會話編輯器來設置光束整形器系統。生產的系統的光學性能可以由VirtualLab Fusion的參數優化得到改善。
1.建模任務
2. 系統設置的會話編輯器
?應用折射光束整形器會話編輯器輔助搭建標準的光束整形系統。
?必須指定入射光束，光學設置和輸出場的參數。
?所有參數的會話編輯器都存儲在該文件中“Scenario_307.01_Refractive_Top_Hat_Beam_Shaper_1.seditor”
（1）設置入射場參數，波長為632.8nm，腰束直徑為8mm
（2）光學設置選擇Fresnel Setup
（3）設置到輸出場的距離為200mm
（4）輸出場整形設置：維度為2D Top Hat，Circular Shape形狀。
（5）設置期望的Top Hat尺寸
（6）評價函數設置
（7）光束整形器孔徑直徑設置（默認情況下自動設置）
（8）選擇整形器材料以及設置中心厚度
（9）確定光束整形器非球面系數級次范圍
點擊Finish，完成設計
3. 由會話編輯器生成系統
會話編輯器生成一個包含高斯波光源，光學界面系列元件的光路圖，來模擬光束整形器和衍射光學價值函數探測器，來分析生成的Top Hat質量。
?通過一個解析幾何光學方法，會話編輯器計算光束整形表面。
展開 折射光束整形元件參數優化以實現圓形高帽整形
案例307.01
這個例子演示了由折射光束整形器會話編輯器來設置光束整形器系統。生產的系統的光學性能可以由VirtualLab Fusion的參數優化得到改善。
1.建模任務
2. 系統設置的會話編輯器
? 應用折射光束整形器會話編輯器輔助搭建標準的光束整形系統。
? 必須指定入射光束，光學設置和輸出場的參數。
? 所有參數的會話編輯器都存儲在該文件中“Scenario_307.01_Refractive_Top_Hat_Beam_Shaper_1.seditor”
（1）設置入射場參數，波長為632.8nm，腰束直徑為8mm
（2）光學設置選擇Fresnel Setup
（3）設置到輸出場的距離為200mm
（4）輸出場整形設置：維度為2D Top Hat，Circular Shape形狀。
（5）設置期望的Top Hat尺寸
（6）評價函數設置
（7）光束整形器孔徑直徑設置（默認情況下自動設置）
（8）選擇整形器材料以及設置中心厚度
（9）確定光束整形器非球面系數級次范圍
點擊Finish，完成設計
3. 由會話編輯器生成系統
會話編輯器生成一個包含高斯波光源，光學界面系列元件的光路圖，來模擬光束整形器和衍射光學價值函數探測器，來分析生成的Top Hat質量。
? 通過一個解析幾何光學方法，會話編輯器計算光束整形表面。
展開 VirtualLab Fusion系列課程 | VirtualLab Fusion光束整形及空間光束傳播仿真
[圖片]
VirtualLab運用：設計一個折射光束整形器來生成一個圓形平頂光束
光束整形＞折射光學
任務描述
亮點
用戶友好界面引導設計一個光束整形元件，從而將高斯激光光束整形成一個圓形平頂光束。
說明：光源
說明：光束整形元件
說明：定義優化函數
說明：探測器
結果：整形光束&轉換值
文件&技術信息
近期推薦：
高速物理光學仿真軟件-VirtualLab Fusion基礎培訓2018.1.22-1.23上海：http://www.honglun-seminary.com/2018/vf122.html
FRED初級操作培訓 1月18-19日 上海 http://www.honglun-seminary.com/2018/fred118.html
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