案例386（1.0）
關(guān)鍵詞： 衍射光學(xué)元件、DOE、高數值孔徑，畸變補償，幾何畸變，枕形，桶形，強度衰減，功率、陡降、損耗、預備信號場(chǎng)、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(guò)該案例闡述了如何利用迭代傅里葉變換算法進(jìn)行高數值孔徑衍射分束器設計。
通過(guò)來(lái)分束器可以生成一個(gè)5x5規則的點(diǎn)陣圖形。
然而，由于偏轉角較大使得目標平面上這個(gè)規則的5x5點(diǎn)陣圖案產(chǎn)生了一個(gè)形變。
可以利用VirtualLab 模塊 Mod014 在迭代傅里葉變換算法設計中預補償該圖形的形變。
2. 設計任務(wù)：規則的5×5光束分束器
設計衍射分束器用于在衍射元件遠場(chǎng)生成規則的高數值孔徑光圖形。
最大衍射角(水平/豎直)：α=β=22.3°
最大衍射角(對角線(xiàn))=30.1°
3. 設計任務(wù)
光源參數：
— 高斯光源波長(cháng)：532nm
— 光束直徑(1/e2)：80um
系統參數：
— 衍射元件到屏幕距離：z=0.3m
期望輸出場(chǎng)：
— 期望點(diǎn)圖形：規則圖形，5×5的點(diǎn)陣
— 級次間距：49.2mm
— 目標圖案依據示例文件
“Sc386_TargetPattern_1.ca2”
DOE參數：
— 僅改變位相的衍射光學(xué)元件
— 離散DOE的位相階數：4
4. 點(diǎn)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計。
對于非近軸衍射元件，衍射角和光軸上點(diǎn)的橫向距離之間沒(méi)有線(xiàn)性關(guān)系。
對于非近軸衍射角，期望點(diǎn)位置與最終獲得枕形畸變的點(diǎn)位置之間存在一個(gè)的差異。(下圖所示為傅里葉迭代算法設計結果，該結果未經(jīng)設計目標圖形的預補償處理)。
5. 生成預補償設計信號 I
為預補償IFTA設計結果中的枕形畸變，利用模塊Mod014使IFTA文件的“期望的目標輸出"信號變形。
模塊Mod014根據目標平面上的空間光強分布計算波數域上的角光強分布。
因此，IFTA設計必須在角譜域上執行。
6. 生成預補償設計信號 II
1 載入目標圖形
“Sc386_TargetPattern_1.ca2”
2 執行模塊Mod014。
3 選擇預補償目標圖案。
4 選擇“分束器“。
5 使用功率校正。
6 輸入校正采樣距離
(數值可在IFTA文件中找到，如果使用角坐標則不可用)。
7. 模塊預補償結果
8. 功率校正的影響
除了枕形畸變，還有一個(gè)附加的強度調制。
強度被調至大約1/R²，此處R為點(diǎn)到光軸的距離
如果在Mod014中功率校正可用，則這個(gè)強度調制可以被補償(見(jiàn)右圖)
9. 定義IFTA文件中的DTP
生成的預補償目標圖形作為IFTA優(yōu)化文件中的期望輸出場(chǎng)。
10. 匹配探測器建議
應該注意的是，由于非近軸設計，VirtualScreen上的光視圖并不再是于評價(jià)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. 最終結果
最終給出的IFTA優(yōu)化文件在“Sc386_IFTAPrecompDTP_2.dp”中。
通過(guò)運行IFTA文件，獲得最終設計結果。并在光路圖“Sc386_FinalResult_3.lpd”中給出。
下方的圖為帶有預補償DTP的IFTA結果，上方的圖為沒(méi)有預補償DTP的IFTA結果。
12. 總結
VirtualLab Fusion 可用于設計高數值孔徑衍射分束器和擴散器
模塊Mod014可用于補償產(chǎn)生的點(diǎn)圖變形和強度調制。
值得注意的是，余下的強度調制是由于利用IFTA設計的最終衍射元件存在的一致性誤差導致的。
此外，高數值孔徑分束器衍射元件的特征尺寸是波長(cháng)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構進(jìn)行一個(gè)嚴格的分析和更進(jìn)一步的優(yōu)化。詳細信息可查閱案例570。
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