• VirtualLab专题实验教程-2.分束器



    前言

    今天是分束器的设计来给大家分享,结合了讯技光电官方给出的技术文档。试用版和7.6.1.18版均可操作,感兴趣的话不妨来上个手试试看。可惜因为没有编程模块,大家有编程功能的可以进一步试试看。

    一、分束器是什么

    分束器是可将一束光分成两束光或多束光的光学装置,它是大多数干涉仪的关键部分。通常是由金属膜或介质膜构成。
    咱们要做的激光分束器,顾名思义就是实现例如下图功能的一个元件。不像常见到的那种介质膜反射镜或者立方体分束镜。
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    光束分束器(点阵分束器)是最基本的衍射光学元件之一,它的作用是把单个入射光分几束或多束,且每束光都具有原始光束的特性(除了其功率和传播角度变化,不改变初始光束的直径、发散角和波前分布)。
    分束器的输出可以是一维排布,也可以是二维排布,也可以实现线光斑阵列,排布完全可以由用户定制,这些通过设计分束器表面的衍射图案来实现的。同时,输出光束的数量、光束间的夹角、直线的长度和数量都可以任意定制。光束的个数更是不受限制,可以为2束、3束,也可以为几百甚至上万束。–本段摘自光束分束 DOE-武汉新特光电技术有限公司 (sinteclaser.com): link
    这个分束效果当然来自于对分束元件的专门设计,你可以结合专题实验教程1链接: link综合理解,这样的专门设计的用意。
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    那常用的就是有如下的分束效果的分束器。
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    分束器的出现能方便许多工程上的应用,比如激光打孔效率的提升,切割轨迹的统一调整。
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    二、软件仿真

    1、分束器设置

    这回用到了衍射光学的工具箱。打开随机阵列分束器开始设置。
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    这里选择的是设置后面参数的一个标准,不同的人对于束腰和半发散角定义可能有不同的习惯和需求,没什么特别要求的可以默认选 1 / e 2 1/e^2 1/e2标准(以能量对应峰值能量的13.5%处记,是半高宽的约1.7倍)的第一条。
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    来到正式设置数值的界面,我们将束腰半径设为250um。(你可能在设置中渐渐发现,这种成对出现的参数,设置好第一个,双击第二个会默认设置成与前一个相同的值)
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    然后是选择光学系统,用1f系统。
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    然后是设置焦距的环节。设置为250mm(人眼明视距离)。
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    然后是设置你最后想要得到的分束效果。我们导入一个如下的bmp图像(就是那个黑色底的十字)。
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    预览中看到它其实是非常小的,但是不用担心,OK即可。
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    接下来是对衍射级次分开程度的一个设置。可以看到这里有个警告。这是因为我们前面光束的束腰半径都有250um,那就不可能去要求衍射后各级次间的距离甚至还比这个值小。(solution里有一些可以解决这个警告的选项,是自动去更改你之前设置的所有参数的)
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    这里我们将其设置为1mm×1mm,警告消失。
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    输出场的直径这里如果没有特殊要求,它会默认自动设置好参数。
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    这里可以选择你想看的评价函数,设计完后可以通过这些来评估分束器的性能。暂时默认也够用。
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    这里是分束器形状和通过孔的设置,默认即可,它自动设置成不会造成光损耗的大小(2倍束腰直径)。
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    这里是对相位量化水平的设置。我们改为2后,相位值就会要么是0要么是2 π \pi π
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    这里可以设置像素大小,也可以默认。
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    然后再next检查一下参数设置,然后可以点击finish。
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    2、开始设计

    然后会弹出IFTA优化界面,我们开始设计。
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    我们点击分析,点击recalculate。
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    这里是对单个周期的调制传递函数进行的一个分析,所以是一个扩散的效果,不是一个分束的效果。
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    我们在光路图的设置界面中使用经典场追迹引擎查看分束效果。
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    这就是那个分束的效果。
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    这些点之间的距离可以用point marker查看,它们之间的距离就是之前设置好的1mm。
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    这里是你刚才勾选想要查看的评价函数的结果。
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    你还可以在这里查看相位信息。
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    当然因为你现在使用迭代傅里叶变换算法来求解一个能实现你想要的分束功能的相位分布,所以它其实是有很多结果的,多点击几次start design。结果各不相同。
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    你用新的设计去光路图里classic field tracing,也会在这里看到一个评价函数数值的改变,当然这些分束器的效果是有一定波动的,但是都不差。
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    当然如果你想用其他bmp文件,有不同的分束效果,可以直接在最开始的设计窗口内先返回到添加bmp文件的窗口。(或者你想改动一些参数等)然后再refresh一下当前的新设置,需要回到IFTA算法界面,重新design,然后回到光路图界面,重新经典场追迹,得到新的效果图。
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    为什么要用这么小的图像呢?因为大了算太慢,这么小的不过30多秒,100mm*100mm的要算一个小时。另外你也发现用中心对称的图像会比较好,现在我们毕竟不是在做成像,它分束之后会把原图上下左右都对称一遍过去。
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    3、结构设计

    注:该结构设计只是指明了功能所在,并没有办法实现倒角等的功能。
    在显示有相位的透过率图下进入design窗口,选中structure design。
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    在界面参数这里注意你实现的量化水平是2个level。
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    OK后会跳出一个新的光路图编辑界面。选中下方的这个元件。
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    可以在这里查看到你的采样光栅的侧面。
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    点小盒子查看3D视图。
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    进入表明编辑之后,需要取消周期才能看清结构了。看完了记得恢复周期。
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    如果还是觉得看不清,可以右键进行一个高度缩放。
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    比如放大3倍后。
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    立体感更强。
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    其实结构设计这里应该去用编程的模组完成倒角之类的功能,但我们没有编程模块,到这里暂时作罢。

    4、结构导出

    在这里可以导出采样表面。
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    在这里选择路径,然后勾选文件,最后导出。
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    这边可以选择导出一个周期或者整个界面(10*10个周期)。
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    总结

    这篇分束器的一个制作,也是第一次用了衍射光学工具箱做了一个探索,多有不足,欢迎大家使用后进一步交流看看。

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