衍射光束整形的案例
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
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：設計和優化衍射光束整形元件來生成矩形高帽
1.簡介
這個示例演示了一個典型的光束整形的任務。
展示了可能的期望需求，設計，優化和一個能夠生成無散斑高帽的衍射光學元件(DOE)的相位透過率函數的分析。
2．模擬任務
DOE：
相位型衍射
光束整形器
直徑：2mmx2mm
形狀：圓形
相位級次：16
3.建模任務：入射光場
高斯準直激光光束的光束參數
?波長：632.8nm
?激光光束直徑（1/e2）：1mm
4.建模任務：期望輸出光場
期望輸出場的參數=設計目標圖樣（DTP）:
?FWHM-直徑：0.5mm
?邊緣寬度：50um
?效率：>95%
?信噪比（SNR）：>30dB
?雜散光：<5%
5.設計方案
?VirtualLab Fusion的衍射光學工具箱提供不同的輔助會話的編輯器來設計光操控元件-主要是衍射光學元件（DOEs）。
?對于當前案例，我們使用衍射光束整形器會話編輯器（Diffractive Beam Shaper session editor）。
6. 衍射光束整形器會話編輯器
?會話編輯幫助配置實際的設計和優化文檔。
?用戶必須輸入所需的信息
-入射場
-期望的輸出場=設計目標圖樣（DTP）
-系統參數
-制造條件
7.設計過程
設計和優化過程由兩步完成：
1.基于幾何光學進行一個初始的設計。
2.基于迭代傅里葉傳輸算法（IFTA）進行后續的優化。
8.系統模擬
?設計和優化后，IFTA文檔可以計算感興趣的優化函數。
展開 衍射光學元件光束整形、分束和擴散
衍射光束分束器可以產生以下的光分布：
? 普通的點陣列
? 點線
? 任意的2D圖案斑點
由衍射光分束器產生的圖案斑點
衍射擴散器
衍射擴散器是可以產生大量重疊衍射級次的確定性的散射元件。因為衍射級次的重疊,衍射光斑可能會出現與入射激光相干性相關的散斑。
擴散器一般與準直透鏡，聚焦透鏡，光束擴束器和傅里葉透鏡一起使用。光學分辨率一般由透鏡系統控制，而衍射擴散器控制強度分布。衍射擴散器可以產生如下的光分布：
? 矩形和圓形高帽
? 線形散射光斑
? 十字叉絲圖案
? 網格圖案
? 任意2D強度分布
衍射擴散器產生的光圖案
衍射光束整形器
衍射和折射光束整形元件一般用于相干激光光束的強度整形。這些元件可以產生非常均勻的無散斑圖案。
光束整形器常和準直透鏡，聚焦透鏡，光束擴束器和傅里葉透鏡一起使用。光學分辨率一般由透鏡系統控制，而強度分布由衍射光束整形器控制。光束整形器可以產生如下的光分布：
? 矩形和圓形高帽
? 均勻線形光斑
? 環形模式
? 厄米高斯和拉蓋爾高斯模式
? 任意的2D強度圖案
光束整形器元件產生的高帽輪廓環形模式
展開 
VirtualLab Fusion：衍射光束整形鏡的優化（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。
? 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。
第一步
優化一個衍射光束整形器的透過率函數
1.
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 一期一會 | 詳解Ansys方案支持超透鏡和共封裝光學的技術發展
當光以原始記錄的入射角之一照射光柵時，它會再現流程中使用的第二個記錄光束。響應的帶寬取決于材料、調制指數和光柵厚度。
體積全息光柵（VHG）的形成
當光柵被激光束1照亮時，它會將激光束2重建為輸出光束
菲涅爾波帶片
菲涅爾波帶片由線密度呈徑向增加的環形光柵（即靠近外邊緣的環）組成。同心光柵在透明區和不透明區之間交替變化。照射到透明環帶的光會被透射，而照射到不透明環帶的光則會發生衍射。環帶之間的間距決定了衍射光的干涉方式，使其聚焦形成圖像。菲涅爾波帶片可用于不同的波長，因此其在X射線成像、光譜學、攝影和望遠鏡等許多應用中極具價值。
衍射分束器
衍射分束器是將入射光光束分成多個光束輸出或衍射級次的光柵。每個輸出光束都保留與輸入光束相同的光學特性。這類器件通常用于激光等設備中的單色光，并針對特定的波長和衍射角進行設計。
衍射分束器的仿真
衍射光束整形器
衍射光束整形器會改變具有高斯強度分布的激光光束的相位分布和強度，也就是說，光束的亮度在中心最強，向邊緣平滑遞減，呈現出曲線分布。衍射光束整形器可調控輸入光束的特性，以改變輸出光束的形狀。輸出光束通常為環形或矩形，但也可以獲得其他光束幾何結構輪廓。衍射光束整形器可用于光刻、全息照明、光學傳感器、生物醫學應用和激光材料加工等領域。
衍射勻光器
衍射勻光器也可將入射激光束轉換為多個輸出光束，但主要區別在于，這些輸出光束會相互重疊和干涉，從而形成均勻的分布。它們通常由特定的微觀結構組成，用于確定光的衍射和分布方式。工程師可以設計這些微米級結構，以實現不同的照明圖案（例如環形、正方形或十字形）。
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
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。
分束器和光束整形器可以與多模（MM）或單模（SM）輸入光束一起使用，并且由于其制造的材料的高損傷閾值，可以用于大功率激光系統，包括如熔融石英，硒化鋅（ZnSe）和藍寶石。
圖2. 基于簡單光線追跡原理（a）的衍射錐透鏡產生圓環; 錐透鏡DOE的輸入脈沖是800 nm高斯脈沖或100 fs USP對錐透鏡出射的結果（b和c）影響不大。
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
wx_fmt=png&from=appmsg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1" alt="圖片" width="429"></p><p class="ql-align-justify"><br></p><p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(51, 51, 51);">所以它像一個具有不均勻間距的圓形衍射光柵.因為它以布拉格角衍射，所以它的衍射效率很高。</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 VirtualLab Fusion：高斯激光光束重塑成Donut模式
? 光束整形器透過率函數的采樣參數可以在設計文檔的“Specification”頁面找到。
? 透過率函數的直徑由采樣點數量乘以采樣距離生成。
相位渦旋必須在中心。
相位渦旋的采樣點的距離必須等于光束整形器透過率函數的采樣距離（參見設計文檔）。
5. 波動光學優化的傳輸
? 幾何光束整形器透過率函數與渦旋相位透相乘之后得到修改后的透過率函數。
? 相位渦旋將在激光光束上“鉆”一個洞。
7.設置透過率函數
? 使用“Set”按鈕來修改后的透過率函數設置為初始透過率函數。
? 這個透過率函數將用于進一步波動光學優化。
8.由IFTA進行優化
? 將透過率函數類型轉換為“Quantized Phase-Only”。
? 輸入相位級次
? 選擇迭代傅里葉變換算法（IFTA）來優化。
? 禁用生成一個初始透過率函數并調整迭代步數。
? 可以通過單擊“Configure”按鈕禁用優化函數的日志記錄。
9.光路圖
? 在光路圖中設置優化后的光束整形器透過率函數來分析系統。
10.設計結果
11.結論
? VirtualLab Fusion允許設計衍射光束整形器。
? 可以生成Donut模式。
? 一個在光束整形元件中心的相位渦旋幫助增大生成的donut模式焦點的對比度和深度。
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！
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。特別是，與高斯光束相比，反高斯(環形)光束可以在更大的掃描參數范圍內減輕飛濺的產生并減少缺陷。在單軌研究中，橢圓光束輪廓強烈地影響凝固組織，并增加等軸晶粒的傾向性。另外，平頂梁也可以實現均勻的溫度分布，并在中等能量密度下獲得致密結構。然而，這種從光束中心到邊緣的類高斯和超高斯徑向強度變化，在熔體池中造成了很大的熱梯度，限制了這種光束有效的掃描參數空間。重要的是，傳統的聚焦光束容易產生強烈的衍射(擴散)。因此，由于力學定位的不一致性，在光束焦點上精確定位構建表面的不確定性可能非常高。此外，高的結合激光功率(千瓦)和相對較長的停頓時間，需要L-PBF經常導致大光學組件上的熱應力和熱透鏡效應等，導致了不良反應，這會使建筑表面的強度分布發生傾斜，或使焦點從原來的位置轉移。
另一方面，貝塞爾光束是一種更廣泛的非衍射光束形狀，對薄層顯微鏡和光學俘獲等應用至關重要。盡管可以設想和實現幾種非衍射和空間工程光束形狀，但它們通常涉及使用多種復雜的光學元件和/或空間光調制器，這可能不適用于涉及高激光功率的應用。零級貝塞爾光束可以使用簡單的光學元件產生，而不會對商業3D打印機的可積性構成實質性挑戰。貝塞爾光束表現出非凡的光學特性，包括擴展的聚焦深度(或無衍射的傳播范圍)和自愈性，其中錐形波簡單地超越傳播路徑上的障礙重建，潛在地減輕了L-PBF中空氣飛濺造成的有害影響。
展開 VirtualLab運用：高斯激光光束重塑成Donut模式
?光束整形器透過率函數的采樣參數可以在設計文檔的“Specification”頁面找到。
?透過率函數的直徑由采樣點數量乘以采樣距離生成。
相位渦旋必須在中心。
相位渦旋的采樣點的距離必須等于光束整形器透過率函數的采樣距離（參見設計文檔）。
5. 波動光學優化的傳輸
?幾何光束整形器透過率函數與渦旋相位透相乘之后得到修改后的透過率函數。
?相位渦旋將在激光光束上“鉆”一個洞。
7.設置透過率函數
?使用“Set”按鈕來修改后的透過率函數設置為初始透過率函數。
?這個透過率函數將用于進一步波動光學優化。
8.由IFTA進行優化
?將透過率函數類型轉換為“Quantized Phase-Only”。
?輸入相位級次
?選擇迭代傅里葉變換算法（IFTA）來優化。
?禁用生成一個初始透過率函數并調整迭代步數。
?可以通過單擊“Configure”按鈕禁用優化函數的日志記錄。
9.光路圖
?在光路圖中設置優化后的光束整形器透過率函數來分析系統。
10.設計結果
11.結論
?VirtualLab Fusion允許設計衍射光束整形器。
?可以生成Donut模式。
?一個在光束整形元件中心的相位渦旋幫助增大生成的donut模式焦點的對比度和深度。
展開 VirtualLab運用：高斯激光光束重塑成Donut模式
?光束整形器透過率函數的采樣參數可以在設計文檔的“Specification”頁面找到。
?透過率函數的直徑由采樣點數量乘以采樣距離生成。
相位渦旋必須在中心。
相位渦旋的采樣點的距離必須等于光束整形器透過率函數的采樣距離（參見設計文檔）。
5. 波動光學優化的傳輸
?幾何光束整形器透過率函數與渦旋相位透相乘之后得到修改后的透過率函數。
?相位渦旋將在激光光束上“鉆”一個洞。
7.設置透過率函數
?使用“Set”按鈕來修改后的透過率函數設置為初始透過率函數。
?這個透過率函數將用于進一步波動光學優化。
8.由IFTA進行優化
?將透過率函數類型轉換為“Quantized Phase-Only”。
?輸入相位級次
?選擇迭代傅里葉變換算法（IFTA）來優化。
?禁用生成一個初始透過率函數并調整迭代步數。
?可以通過單擊“Configure”按鈕禁用優化函數的日志記錄。
9.光路圖
?在光路圖中設置優化后的光束整形器透過率函數來分析系統。
10.設計結果
11.結論
?VirtualLab Fusion允許設計衍射光束整形器。
?可以生成Donut模式。
?一個在光束整形元件中心的相位渦旋幫助增大生成的donut模式焦點的對比度和深度。
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。
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