案例386（1.0）
關(guān)鍵詞： 衍射光學(xué)元件、DOE、高數(shù)值孔徑，畸變補(bǔ)償，幾何畸變，枕形，桶形，強(qiáng)度衰減，功率、陡降、損耗、預(yù)備信號場、光圖形、迭代傅里葉變換算法、IFTA、模組、分束器、衍射
1. 摘要
通過該案例闡述了如何利用迭代傅里葉變換算法進(jìn)行高數(shù)值孔徑衍射分束器設(shè)計。
通過來分束器可以生成一個5x5規(guī)則的點陣圖形。
然而，由于偏轉(zhuǎn)角較大使得目標(biāo)平面上這個規(guī)則的5x5點陣圖案產(chǎn)生了一個形變。
可以利用VirtualLab 模塊 Mod014 在迭代傅里葉變換算法設(shè)計中預(yù)補(bǔ)償該圖形的形變。
2. 設(shè)計任務(wù)：規(guī)則的5×5光束分束器
設(shè)計衍射分束器用于在衍射元件遠(yuǎn)場生成規(guī)則的高數(shù)值孔徑光圖形。
最大衍射角(水平/豎直)：α=β=22.3°
最大衍射角(對角線)=30.1°
3. 設(shè)計任務(wù)
光源參數(shù)：
— 高斯光源波長：532nm
— 光束直徑(1/e2)：80um
系統(tǒng)參數(shù)：
— 衍射元件到屏幕距離：z=0.3m
期望輸出場：
— 期望點圖形：規(guī)則圖形，5×5的點陣
— 級次間距：49.2mm
— 目標(biāo)圖案依據(jù)示例文件
“Sc386_TargetPattern_1.ca2”
DOE參數(shù)：
— 僅改變位相的衍射光學(xué)元件
— 離散DOE的位相階數(shù)：4
4. 點圖形的變形
衍射元件通常是在等間距的計算網(wǎng)格上利用角譜域的迭代傅里葉變換算法完成設(shè)計。
對于非近軸衍射元件，衍射角和光軸上點的橫向距離之間沒有線性關(guān)系。
對于非近軸衍射角，期望點位置與最終獲得枕形畸變的點位置之間存在一個的差異。(下圖所示為傅里葉迭代算法設(shè)計結(jié)果，該結(jié)果未經(jīng)設(shè)計目標(biāo)圖形的預(yù)補(bǔ)償處理)。
5. 生成預(yù)補(bǔ)償設(shè)計信號 I
為預(yù)補(bǔ)償IFTA設(shè)計結(jié)果中的枕形畸變，利用模塊Mod014使IFTA文件的“期望的目標(biāo)輸出"信號變形。
模塊Mod014根據(jù)目標(biāo)平面上的空間光強(qiáng)分布計算波數(shù)域上的角光強(qiáng)分布。
因此，IFTA設(shè)計必須在角譜域上執(zhí)行。
6. 生成預(yù)補(bǔ)償設(shè)計信號 II
1 載入目標(biāo)圖形
“Sc386_TargetPattern_1.ca2”
2 執(zhí)行模塊Mod014。
3 選擇預(yù)補(bǔ)償目標(biāo)圖案。
4 選擇“分束器“。
5 使用功率校正。
6 輸入校正采樣距離
(數(shù)值可在IFTA文件中找到，如果使用角坐標(biāo)則不可用)。
7. 模塊預(yù)補(bǔ)償結(jié)果
8. 功率校正的影響
除了枕形畸變，還有一個附加的強(qiáng)度調(diào)制。
強(qiáng)度被調(diào)至大約1/R²，此處R為點到光軸的距離
如果在Mod014中功率校正可用，則這個強(qiáng)度調(diào)制可以被補(bǔ)償(見右圖)
9. 定義IFTA文件中的DTP
生成的預(yù)補(bǔ)償目標(biāo)圖形作為IFTA優(yōu)化文件中的期望輸出場。
10. 匹配探測器建議
應(yīng)該注意的是，由于非近軸設(shè)計，VirtualScreen上的光視圖并不再是于評價衍射元件光學(xué)質(zhì)量的理想探測器。
相反，輻照度探測器更適用于該案例。
11. 最終結(jié)果
最終給出的IFTA優(yōu)化文件在“Sc386_IFTAPrecompDTP_2.dp”中。
通過運(yùn)行IFTA文件，獲得最終設(shè)計結(jié)果。并在光路圖“Sc386_FinalResult_3.lpd”中給出。
下方的圖為帶有預(yù)補(bǔ)償DTP的IFTA結(jié)果，上方的圖為沒有預(yù)補(bǔ)償DTP的IFTA結(jié)果。
12. 總結(jié)
VirtualLab Fusion 可用于設(shè)計高數(shù)值孔徑衍射分束器和擴(kuò)散器
模塊Mod014可用于補(bǔ)償產(chǎn)生的點圖變形和強(qiáng)度調(diào)制。
值得注意的是，余下的強(qiáng)度調(diào)制是由于利用IFTA設(shè)計的最終衍射元件存在的一致性誤差導(dǎo)致的。
此外，高數(shù)值孔徑分束器衍射元件的特征尺寸是波長量級。因此我們推薦使用傅里葉模態(tài)法(FMM)對此案例中所獲得的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一個嚴(yán)格的分析和更進(jìn)一步的優(yōu)化。詳細(xì)信息可查閱案例570。
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