衍射光学元件的耦合波方程与分析

第13课带有衍射光学元件的激光扩束器

第13课.带有衍射光学元件的激光扩束器 在第11课中，您了解了如何使用普通球面透镜设计激光扩束器，并了解到需要多个透镜元件才能获得良好的性能。第12课采用相同的设计，使用两个非球面元件，效果极佳。本课程将证明您可以使用DOE（衍射光学元件）。 to within10%.目标是将腰半径为0.35mm的HeNe激光器转换成直径为10mm且均匀至10％以内的光束 这是我们初始的输入文件： RLE!Beginning of lens input file.。 ID KINOFORM BEAM SHAPER WA1.6328!Single wavelength UNI MM!Lens is in millimeters OBG.351!Gaussian object;waist radius-.35mm;define full aperture=1/e**2point. 1TH22!Surface2is22mm from the waist. 2RD-2TH2GTB S!Guess some reasonable lens parameters;use glass type SF6from Schott catalog SF6 3TH20!Surface3is a kinoform on side2of the first element 3USS16!Defined as Unusual Surface Shape16(simple DOE) CWAV.6328!Zones are defined as one wave phase change at this wavelengt HIN1.798855!Assume the zones are machined into the lens.You can also apply!a film of a different index. RNORM1 4TH2GTB S SF6 4USS16 CWAV.6328 HIN1.798855 RNORM1!The first side of the second element is also a DOE 5CV0TH50!Start with a flat surface 7!Surfaces6and7exist AFOCAL!because they are required for AFOCAL output. END!End of lens input file. 我们给第2个表面指定了一个合理RD值。这是现阶段还没有DOE的非球面系数的系统：

衍射光学元件

Top Hat Beam Shaper-高帽光束整形 HOLO/OR几十年来服务于堆栈高帽元件模拟，可以很好地 定义高斯光束，将其在工作平台上转换为均匀强度光斑。 应用领域：激光切割,激光焊接，激光显示，激光医学和审 美激光应用 Beam Splitter/Multispot-分束器/多场 分束器元件为衍射光学元件，用于将一束激光光束分离为几束，每束光都有最初那束光的特性，这些特性不包括光能量大小和传播角度。多束光方向可以形成一维或二维光图像。 应用领域：激光打孔，医疗表面处理，并行处理，并行激光扫描 Homogenizer/Diffuser-均化器/扩散器 HOLO/OR有多样且广泛的工业衍射光元件，允 许在合理的价格范围内提供解决方案。 应用领域：允许任何光束类型，小扩散角，自定 义角度，各种波长和尺寸，自定义形状 Beam Sampler-光束采样器 HOLO/RO介绍一种新的ED匀化器，由纯石英 玻璃或硒化锌材料组成，可选择在这两种材料表 面进行高功率ARV-镀膜，有利于给出解决方案， 显著减少0.2% 的后向反射。（每个面0.1%） 应用领域：直插式功率，嵌入式光束分析

Dual Wavelength-双波长产生器 衍射光学给出了一个独特的构想，可以只影响 一个波长。在多波长光束中，双波长光束组合 器是衍射光学元件，用于将两束入射光以不同 的波长组合到相同焦点上，为在所需观察面上 获得一个强光斑，就必须在激光光束射向光斑 的路径上放置一个透明的衍射光学元件。 应用领域：外科手术激光系统，工业二氧化碳激光系统 Vortex lens-涡旋透镜 Holo-Or介绍了VL系列涡旋微透镜，由纯石英 玻璃或硒化锌材料组成，可选择在这两种材料 表面进行高功率ARV-镀膜，有利于给出解决方 案，显著减少0.2% 的后向反射。（每个面0.1%） 应用领域：天文学，光学镊子，加密术 Lenslet arrays-微透镜阵列 微透镜阵列基底由微衍射透镜覆盖，微透镜阵 列作为扩散器，或者作为局部焦点和采样点。 衍射微透镜阵列的优势在于其占空因子为 100%，高于折射微透镜阵列。可以很容易地进 行设计和成像，并修正微透镜成像系统像差。 应用领域：光束扫描仪，焦平面阵列光传感器 Multifocal Lenses-多焦点透镜 衍射光学可以从一个入射光产生多个输出光束，而不是典型的折射透镜，沿着光轴由一个焦点获得多个焦点，并都处于焦平面，这样的透镜被称为多焦微透镜，它们对于并行放大系统，光传感，视觉应用等十分重要。同时，这些透镜也可以应用于准长焦点元件，在材料处理上有效创建长深度焦点。

衍射光学元件示意图,衍射元件应用原理图

衍射光学元件示意图 经过多年发展，海纳光学已经成为国内极具权威的衍射光学元件供应商。衍射光学元件主要分为光束整形器、分束器、多焦点DOE、长焦深DOE、衍射锥镜、螺旋相位片、匀化片和其它图案的衍射元件DOE。这里我们挑选较常用的整形镜、分束器、多焦点DOE，专门给出了这些衍射光学元件的示意图，衍射元件应用原理图，让用户能够对衍射元件的使用、安装位置和衍射过程一目了然。 一、光束整形器，整形镜，Beam Shaper, Top hat beam shaper 平顶光束整形器的作用是把高斯光束转换为平顶光束，即高斯整平顶。平顶光斑具有效率高、光斑小、能量均匀性好等特点，顶部能量绝对均匀，边缘陡峭，无高级次衍射，也称为平顶帽式光斑。光束整形器又称为整形镜，高斯整平顶DOE，平顶光整形器，平顶帽式整形镜，平顶光DOE，是最具代表性的衍射光学元件之一。 下面图片可以清晰地看到整形镜获得平顶光斑的过程，整形镜得到的平顶光斑的尺寸为衍射极限的1.5倍~几百倍，要求入射的高斯光束为TEM00的单模光。一般整形镜的衍射效率>93%，均匀性>95% (多台阶整形镜)，对安装精度要求较高。

整形镜不仅可以把入射光整形成圆形、正方形，还可以整形成直线、长方形、六边形等其它用户需要的形状。下图是把高斯光整形成直线光斑的示意图，这里我们用到一个模组而不是单独的镜片，这个模组成为Leanline，其克服了整形镜的工作距离限制，能够在一定工作距离范围内保持光束整形的效果。 二、匀化器、匀化镜、均匀光斑DOE、扩散片，Homogenizer, Diffuser 激光匀化器的作用是把入射激光转换成能量均匀分布的光斑，这里的光斑尺寸一般较大，形状可以为圆形、正方形、线性、六边形和其它任意用户想要定制的形状。入射激光可以为单模或多模，衍射效率70%~90%不等。 下图清晰地给出了匀化器的匀化过程，一般的结构是激光通过匀化器和聚焦系统后即可匀化，但这里还配合了一个激光扩束缩束镜，通过调节这个扩束缩束镜就可以直接调节输出光斑的大小。

canon多层衍射光学元件及镜头

多层衍射光学元件及镜头 添加用户：风雨无阻添加时间：2008-08-22 来源：点击：77214 Canon于2000年9月4日宣布研制成功世界上第一片用于照相机摄影镜头中的“多层衍射光学元件”(Multi- Layer Diffractive Optical Element，)，并将于2 000年9月20~25日在德国科隆举办的Photokina 2000大会上展示使用该光学镜片的EF 400/4 DO IS USM镜头的样品，该镜头的正式出售版预计于2001年上半年面市。 右边为多层衍射光学镜片， 左边为EF 400/4 DO IS USM样品。 多层衍射光学镜片同时具有萤石和非球面镜片的特性，所以该镜片的推出，是光学工业的一个里程碑。 衍射光学元件有衍射光栅，通过衍射改变光路(这里所说的衍射是指光线遇到障碍物时，将偏离直线传播，在边缘有扩散的倾向)。这样的光学元件原来应用在工业仪器，比如分光仪和信号读出光学系统(比如CD和DVD播放机)。但由于这类光学元件在自然光(白光)进入镜头时，会产生过多的衍射光，其结果是产生眩光，导致影像质量下降。 Canon研制的多层衍射光学元件(MLDOE)由两块有同心圆衍射光栅的单层衍射光学元件组成，其光栅相对组合。当入射光进入MLDOE时，不会产生多余的衍射光，几乎所有的光线都用于成像。Canon的研究成果首次表明：在照相机镜头中是可以采用衍射光学元件的。

多层衍射光学元件 多层衍射光学元件原理图

单层衍射光学元件和多层衍射光学元件的衍射特性 衍射光学元件最重要的特性是波长合成结像的位置与折射光学元件的位置是反向的。在同一个光学系统中，将一片MLDOE与一片折射光学元件组合在一起，就能比萤石元件更有效地校正色散(色彩扩散)。而且，通过调整衍射光栅的节距(间隙)，衍射光学元件可以具有与研磨及抛光的非球面镜片同样的光学特性，有效地校正球面以及其他像差。 MLDOE校正色散的原理 在生产MLDOE衍射光栅时，需要微米级(1微米=1/1000mm)的精度来保证衍射光

常见光学仿真设计软件

1.APSS.v 2.1.Winall.Cracked 光子学设计软件，可用于光材料、器件、波导和光路等的设计 2.ASAP.v7.14/7.5/8.0.Winall.cracked/Full 世界各地的光学工程师都公认ASAPTM（Advanced Systems Analysis Program，高级系统分析程序）为光学系统定量分析的业界标准。 注：另附9张光源库 3.Pics3d.v200 4.1.28.winall.cracked 电子.光学激光2D/3D有限元分析及模形化装置软件 https://www.360docs.net/doc/4918177479.html,stip.v2004.1.28.winall.cracked 半导体激光装置2D模拟软件 5.Apsys.2D/3D.v2004.1.28.winall.cracked 激光二极管3D模拟器 6.PROCOM.v2004.1.2.winall.cracked 化合物半导体模拟软件 7.Zemax.v2003.winall.cracked/EE ZEMAX 是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表集成在一起。 8.ZEBASE Zemax镜头数据库 9.OSLO.v6.24.winall.licensed/Premium OSLO 是一套处理光学系统的布局和优化的代表性光学设计软件。最主要的，它是用来决定光学系统中最佳的组件大小和外型，例如照相机、客户产品、通讯系统、军事 /外太空应用以及科学仪器等。除此之外，它也常用于仿真光学系统性能以及发展出一套对光学设计、测试和制造的专门软件工具。 10.TracePro.v324.winall.licensed/Expert TracePro 是一套能进行常规光学分析、设计照明系统、分析辐射度和亮度的软件。它是第一套以符合工业标准的ACIS(固体模型绘图软件)为核心所发展出来的光学软件，是一个结合真实固体模型、强大光学分析功能、信息转换能力强及易上手的使用界面的仿真软件，它可将真实立体模型及光学分析紧紧结合起来，其绘图界面非常地简单易学。 11.Lensview.UPS.winall.cracked LensVIEW 为搜集在美国以及日本专利局申请有案的光学设计的数据库，囊括超过 18,000个多样化的光学设计实例，支持Zemax，OSLO，Code V等光学设计软件。 12.Code V.v940.winall.licensed CODE V是美国著名的Optical Research Associates公司研制的具有国际领先水平的大型光学工程软件。 13.LightTools.v4.0/sr1.winall.cracked LightTools是一个全新的具有光学精度的交互式三维实体建模软件体系，提供最现代化的手段直接描述光学系统中

衍射光学元件上课讲义

衍射光学元件

?-高帽光束整形 HOLO/OR几十年来服务于堆栈高帽元件模拟，可以很好 地定义高斯光束，将其在工作平台上转换为均匀强度光 斑。 应用领域：激光切割,激光焊接，激光显示，激光医学和审 美激光应用 ?Beam Splitter/Multispot-分束器/多场 分束器元件为衍射光学元件，用于将一束激光光束分离为几束，每束光都有最初那束光的特性，这些特性不包括光能量大小和传播角度。多束光方向可以形成一维或二维光图像。 应用领域：激光打孔，医疗表面处理，并行处理，并行激光扫描 ?Homogenizer/Diffuser-均化器/扩散器 HOLO/OR有多样且广泛的工业衍射光元件，允 许在合理的价格范围内提供解决方案。 应用领域：允许任何光束类型，小扩散角，自定 义角度，各种波长和尺寸，自定义形状 ?Beam Sampler-光束采样器

HOLO/RO介绍一种新的ED匀化器，由纯石英玻璃或硒化锌材料组成，可选择在这两种材料表面进行高功率ARV-镀膜，有利于给出解决方案，显著减少0.2% 的后向反射。（每个面0.1%） 应用领域：直插式功率，嵌入式光束分析 ?Dual Wavelength-双波长产生器 衍射光学给出了一个独特的构想，可以只影响 一个波长。在多波长光束中，双波长光束组合 器是衍射光学元件，用于将两束入射光以不同 的波长组合到相同焦点上，为在所需观察面上 获得一个强光斑，就必须在激光光束射向光斑 的路径上放置一个透明的衍射光学元件。 应用领域：外科手术激光系统，工业二氧化碳激光系统 ?Vortex lens-涡旋透镜 Holo-Or介绍了VL系列涡旋微透镜，由纯石 英玻璃或硒化锌材料组成，可选择在这两种材 料表面进行高功率ARV-镀膜，有利于给出解 决方案，显著减少0.2% 的后向反射。（每个 面0.1%） 应用领域：天文学，光学镊子，加密术 ?Lenslet arrays-微透镜阵列 微透镜阵列基底由微衍射透镜覆盖，微透镜阵 列作为扩散器，或者作为局部焦点和采样点。 衍射微透镜阵列的优势在于其占空因子为 100%，高于折射微透镜阵列。可以很容易地 进行设计和成像，并修正微透镜成像系统像 差。 应用领域：光束扫描仪，焦平面阵列光传感器

SYNOPSYS 光学设计软件课程第13课：带有衍射光学元件的激光扩束器

第13课. 带有衍射光学元件的激光扩束器 在第11课中，您了解了如何使用普通球面透镜设计激光扩束器，并了解到需要多个透镜元件才能获得良好的性能。第12课采用相同的设计，使用两个非球面元件，效果极佳。本课程将证明您可以使用DOE（衍射光学元件）。 目标是将腰半径为0.35mm的HeNe激光器转换成直径为10mm且均匀至10％以内的光束 这是我们初始的输入文件： RLE ! Beginning of lens input file.。 ID KINOFORM BEAM SHAPER WA1 .6328 ! Single wavelength UNI MM ! Lens is in millimeters OBG .35 1 ! Gaussian object; waist radius -.35 mm; define full aperture = 1/e**2 point. 1TH 22 ! Surface 2 is 22 mm from the waist . 2RD -2 TH 2 GTB S ! Guess some reasonable lens parameters; use glass type SF6 from Schott catalog SF6 3TH 20 ! Surface 3 is a kinoform on side 2 of the first element 3 USS 16 ! Defined as Unusual Surface Shape 16 (simple DOE) CWAV .6328 ! Zones are defined as one wave phase change at this wavelengt HIN 1.7988 55 ! Assume the zones are machined into the lens. You can also apply ! a film of a different index. RNORM 1 4 TH 2 GTB S ! The first side of the second element is also a DOE SF6 4 USS 16 CWAV .6328 HIN 1.7988 55 RNORM 1 5 CV 0 TH 50 ! Start with a flat surface 7 ! Surfaces 6 and 7 exist AFOCAL ! because they are required for AFOCAL output. END ! End of lens input file. 我们给第2个表面指定了一个合理RD值。这是现阶段的系统，还没有DOE的非球面系数：

二元光学元件的设计理论

二元光学元件的设计理论、特殊工艺与应用分析 摘要：二元光学自从80年代提出以来，由于其具有衍射效率高，色散性能好，以及具有传统光学不具有的独特的光学性能，而获得了迅速的发展。本文介绍了二元光学的发展历程、加工方法、特殊工艺，并阐述了常用二元光学器件的具体应用，及其发展方向。为同类元器件的研制与推广提供参考。 关键词：微光学、二元光学、衍射、光刻工艺 1、前言 传统光学元件是基于折反射原理的器件，如透镜、棱镜等都是用机械或手工的方法进行加工，不仅制造工艺复杂、而且元件尺寸大、重量大，已不能适应现代光学设备小型化、阵列化的趋势。80年代中期，美国MIT林肯实验室的威尔得坎普率先提出了“二元光学”的概念，二元光学有别于传统光学元件制造方法，基于衍射光学的原理，元件表面采用浮雕结构，制造上可以采用现有集成电路生产方法，由于采用二元掩模故称为二元光学。关于二元光学的准确定义，至今还没有统一的看法，但目前的共识是二元光学基于光波衍射理论，利用计算机辅助设计、并采用超大规模集成电路制造工艺在元件表面蚀刻产生不同台阶深度的浮雕结构，形成具有极高衍射效率的衍射光学元件，是光学与微电子学相互渗透交叉的前沿学科[1]。它的出现将给传统光学设计和加工工艺带来新的革命。 2、二元光学元件研究进展 2.1 设计理论 二元光学元件的设计类似于传统的光学元件的设计方法，已知入射光的光场分布，以及所要达到的输出平面的光场分布，如何计算中间光学元件的参数，使得入射光经过光学系统后光场分布符合设计要求。但是它们之间不同之处在于传统光学设计软件采用的是光线追击以及传递函数的设计方法，而二元光学采用的是衍射理论及傅立叶光学的分析方法。但是在设计方法上仍有其共同点：如修正算法、模拟退火法、二元搜索法等也同样适合于二元光学元件的设计。由于在许多情况下，二元光学元件的特征尺寸在波长量级或亚波长量级，故标量衍射理论已不在适用，因此必须发展描述光偏振特性和不同偏振光之间相互作用的矢量衍射理论[2]。 2.2 加工工艺 二元光学元件基本制作工艺采用类似超大规模集成电路中微电子加工技术，而二元光学元件采用表面三维浮雕结构，需同时控制平面尺寸及纵向深度，其加工难度更大。近年

衍射光学元件的基本原理

衍射光学元件的基本原理 衍射光学元件是由二元光学的发展而衍生出来的一种新的光学器件，属于微光学范畴。光的衍射理论是设计衍射光学元件的基本原理。光的衍射公式复杂冗长，不便于实际应用，维尔克斯光电根据实际工程中holoor衍射光学元件的使用情况，精心总结了以下简化的公式，以相对简单的方式阐述衍射光学元件基本原理。 衍射光学公式： 光栅方程&垂直入射： 光栅方程&斜入射 衍射角度随波长的变化： 衍射极限的光斑尺寸： Holoor以对比度来定义光斑均匀性： Holoor的衍射光学元件DOE对于校准后的激光光束效果最好，但也可用于调制未校准的激光光束； DOE衍射光学元件不要求激光光束是偏振的或相干的； DOE衍射光学元件不会影响激光的偏振态，除了亚波长regime。 激光光束分束器/激光点阵衍射光学元件/多光斑衍射光学元件用到的衍射光学原理 Holoor 激光光束分束器/激光点阵衍射光学元件/多光斑衍射光学元件用于把一个激光光束分解为多个光束，而且每个光束的特性和入射的原始激光光束一致。 入射激光光束模式：单模/多模 相邻激光点/激光光斑的间距：

每个点的尺寸： 容忍度：对于X轴Y轴Z轴的对准偏差不敏感 衍射效率：70~95% 均匀性：典型值<5% 平顶光束整形器 Holoor平顶光束整形器的作用是把一个高斯入射激光光束在一个特定的工作平面上转化为一个均匀的激光光斑，形成一个具有极好的能量均匀性的像。 特性：成像尺寸可以为衍射极限的1.5倍~几百倍 输入激光模式：单模TEM00 （建议M2<1.3） 衍射效率：>93% 衍射均匀性：典型值<5%，无杂散光 容忍度：对于X轴Y轴的对准/校准敏感，聚焦和输入光束尺寸有关 激光匀化器、扩散器 Holoor 激光匀化器、扩散器的作用是是激光束变为任意形状的、具有均匀能量分布的大光斑，光斑形状可以为圆形、正方形、线性、六边形，甚至是任意形状。 输入激光模式：单模或多模（M2越大匀化效果越好） 衍射效率：典型值70%~90% 容忍度：对于X轴Y轴Z轴的对准偏差不敏感