光束传输系统(BDS.0005 v1.0) >XN[KPTa
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二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 zzmC[,u}
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b,!C8rJ 6 2xOh\(
简述案例 kk4 |4 ucCf%T\: 系统详情 /2^L;# 光源 %VHy?!/ - 强象散VIS激光二极管 mF~T?L" 元件 0TN28:hcD - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) ,BdObx - 具有高斯振幅调制的光阑 }U]jy 探测器 +LHU}'| - 光线可视化(3D显示) d_[H|H9i6 - 波前差探测 )\wkVAm - 场分布和相位计算 )"x6V""Rb - 光束参数(M2值,发散角) 5Ds[? 模拟/设计 Bwg(f_[1 - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 U32$9" - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): q~`hn(S 分析和优化整形光束质量 ]3r}>/2( 元件方向的蒙特卡洛公差分析 V 6}5^W y6 (L=$+B 系统说明 KQ~y;{h?b ?<Qbp;WBo
=4TQ*;V: 模拟和设计结果 ~M~DH-aX `$a!CJu,
VoCg,gow 场(强度)分布 优化后
数值探测器结果 ,%!m%+K9a
XG#?fr}L
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2
T!/o^0w A%w9Da?B 总结 ,fjY|ip
QO@86{u#Y 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 rfV'EjiM} 1.模拟 @ZEBtM%.O 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 hqRC:p#9 2.评估
zAB= >v 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ?mMM{{%(. 3.优化 lpi"@3 利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 !ooi.Oz*Tu 4.分析 S5>s& 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 XtCIUC{r, (bm^R-SbB 对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 @$slGY $S>'0mL 详述案例 9J:|"@)N
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系统参数 " {<X! ^u> Whd > 案例的内容和目标 av'DyNW\
!7t&d 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 ?N4FB*x NuOA'e+i
k26C=tlkv" 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Kebr>t8^ 之后,研究并优化整形光束的质量。 %g:Q? 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 NQD5=/o V 7,dx@J- 模拟任务:反射光束整形设置 W" =l@}I 引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 )at:Xm<s
\.2i?<BC
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-!!]1\S*Y yPE3Awh5 规格:像散激光光束 B=KrJ{&! DE.].FD' 由激光二极管发出的强像散高斯光束
G#[A'tbKk 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ,h=a+ja8
P'wo+Tn*
A=kOSq 4Q
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)4rt-_t< aEdA'>
规格:柱形抛物面反射镜 K/9Jx(I,qL :]:)c8!6 有抛物面曲率的圆柱镜 nlpEkq 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 pZ8J\4+ 曲率半径等于焦距的两倍 f?d5Ltg \MEBQ 9(t(sP_ 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) OUWK 89>}`:xS^ 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Tdh(J",d 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) RP$u/x"b 离轴角决定了截切区域 }$i"t8"s @Ommd{0M 规格:参数概述(12° x 46°光束) % PzkV s z~2{`pET
G,>YzjMY` 0{vT`e' 光束整形装置的光路图 CHTK.%AQH! (F^R9G|
.xqi7vVHZ 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 j7)mC4o:% 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。 a/uo)']B ZBDF>u@ 反射光束整形系统的3D视图 ='jT
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&]YyV .
tN<X3$aN *%/O (ohs@ 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 U;/2\Ii 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 e".=E;o` %|e)s_%XE 详述案例 /e"iYF eP"B3Jw 模拟和结果 @'>RGaPV 0GxJja 结果:3D系统光线扫描分析 YyYZD{^ 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 FD[*Q2fU 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 N& FzEs1hpl file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd wH8J?j"5> HnArj_E 使用参数耦合来设置系统 0U~$u
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自由参数: f2[R2sto@
反射镜1后y方向的光束半径 oi|N8a2R
反射镜2后的光束半径 PwW$=M{\.
视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) !#pc@(rE
由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 2$Xof
对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 C jf<,x$
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Hy4;i^Ik < 自由参数: Bc.de&Bxz_ 反射镜1后y方向的光束半径 (=uT*Cb 反射镜2后的光束半径 WYb}SI(E 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) .KKecdd?= 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 QTBc_Z AuK$KGCI= ?:3hp2k< 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。
{!D(3~MI 4_5f4%S M>Q ZN 结果:使用GFT+进行光束整形 +Kb 7N, " !O%!A<3
keLeD1 {Vj&i.2, Vm<_e 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
msgR"T3' V K6D l,hOnpm9 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。
(
jU $ peu9Bgs 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。
*VhEl7 jz_Y|"{`v 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差:
eMnK@J !DOyOTR&3
;+XrCy!.)L `2]0 X#R file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
>I\B_q }(8>& 结果:评估光束参数 )KE yn}Dj9(q 4*qBu}( 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。
:pdX 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。
Y[f]L4,V
Rm=p} JrOxnxd^ 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。
-B#1+rUW M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的)
1l$C3c $,@}%NlHc file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
zQulPU f2x!cL|Kx? 光束质量优化 3bWGWI pi"M*$ )9"^ D 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。
FShjUl>mV 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
=xm7i#1 ~g/"p`2-N 结果:光束质量优化 QO}~"lMj ldUZ\z(* Mu> 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。
E#+2)Q =KHb0d |.
Cd)g8< j%s,%#al 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。)
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file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
f;^ +q-Q nDdY~f.B 反射镜方向的蒙特卡洛公差 je^VJ&ac jKmjZz8L]% 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。
)iw-l~y; yF(9=z"? <VhmtT%7 这意味着参数变化是的正态
7FoX)54" k)-+ZmMOh
y!gPBkG&3n QIMd`c |1!fuB A 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。
n#x_da-m] 这意味着,波前对对齐误差很敏感。
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@/kI;8 +8zACs{p file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
_C5i\Y) >hNSEWMY` 第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ)
.)[E`a UCcr>
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qCNk !6=s{V&r1 由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。
s 1M-(d Q Y^Buz<OiG 总结 T+Re1sPr? .zZfP+Q]8 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
6Sd:5eTEQ 1.模拟 Y9X,2L7V 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
m+'1c}n^7 2.研究 o4p5`jOG@ 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。
[Ix6ArY 3.优化 HDKF>S_S 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。
Jn{)CZ 4.分析 L;opQ~g 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
LmJjO:W}^y 可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。
4ct-K)Ris .\oW@2,RA9 参考文献 <~uzHg%Y [1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007).
u W,J5! ?<t?G 进一步阅读 pP.`+vPi ]~]TZb 进一步阅读 mh"PA p 获得入门视频
;g?PK5rB( - 介绍光路图
.)tQ&2
- 介绍参数运行
@xdtl{5G 关于案例的文档
dHx4yFS - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
x} =,'Ko}3 - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens
@Dsw.@/ - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
O:GP uVb\ - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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