案例386（1.0）
關鍵詞： 衍射光學元件、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、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行高數值孔徑衍射分束器設計。
通過來分束器可以生成一個5x5規則的點陣圖形。
然而，由于偏轉角較大使得目標平面上這個規則的5x5點陣圖案產生了一個形變。
可以利用VirtualLab 模塊 Mod014 在迭代傅里葉變換算法設計中預補償該圖形的形變。
2. 設計任務：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)=30.1°
3. 設計任務
光源參數：
— 高斯光源波長：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：
— 期望點圖形：規則圖形，5×5的點陣
— 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元件
— 離散DOE的位相階數：4
4. 點圖形的變形
衍射元件通常是在等間距的計算網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，衍射角和光軸上點的橫向距離之間沒有線性關系。
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計結果，該結果未經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，還有一個附加的強度調制。
強度被調至大約1/R²，此處R為點到光軸的距離
如果在Mod014中功率校正可用，則這個強度調制可以被補償(見右圖)
9. 定義IFTA文件中的DTP
生成的預補償目標圖形作為IFTA優化文件中的期望輸出場。
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衍射元件光學質量的理想探測器。
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優化文件在“Sc386_IFTAPrecompDTP_2.dp”中。
通過運行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可用于補償產生的點圖變形和強度調制。
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量級。因此我們推薦使用傅里葉模態法(FMM)對此案例中所獲得的結構進行一個嚴格的分析和更進一步的優化。詳細信息可查閱案例570。
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