光束传输系统(BDS.0005 v1.0) EL2z&
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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 yTe25l{QaF
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\MmB+'f&R u8<Fk
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简述案例 eISHV.QV lD_iIe~c 系统详情 %\B?X;( 光源 g&ba]?[A - 强象散VIS激光二极管 GIR12%-EO 元件 ;D4
bxz0ou - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) CJ#Yu3} - 具有高斯振幅调制的光阑 xBw ua; 探测器 lfwBUb - 光线可视化(3D显示) SokU9n! - 波前差探测 {@-tRm& - 场分布和相位计算 )D]LPCd[ - 光束参数(M2值,发散角) 5:EE%(g9 模拟/设计 3A\Hiy!{F - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 Nk F2'Z{$+ - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): 1ahb:Mjv 分析和优化整形光束质量 w%6 L" 元件方向的蒙特卡洛公差分析 y>g`R^^ :ZM=P3QZ 系统说明 UC00zW<Z@" Ye>+
oOQ0f |MGp 模拟和设计结果 (1Jc-` .
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BT5~MYBl 场(强度)分布 优化后
数值探测器结果 o 7 &q
{UhpN"'"n
&23t/`
O0mQHpi: OnE~0+ 总结 y#lg)nB
ADA*w 1 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 g8Zf(" 1.模拟 %B Rll 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 o1<Z;2# 2.评估 l-[5Zl;" 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 xn7bb[g; 3.优化 &+pp;1ls 利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 hXn@vK6 4.分析 9z?B@;lMc 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 kjR-p=} [8`^_i=# 对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 AiV1
vD` 8uetv 详述案例 2fdC @V
sH)40QmO{ 系统参数 8';huq@C{ mDIN%/S' 案例的内容和目标 G\S_e7$/
N*>&XJ# 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 p{rzP,Pb& DGx<Nys@B
ZL- ` 3x 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 s#)tiCSVW 之后,研究并优化整形光束的质量。 'C1yqkIa` 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 eP|hxqM&9 At8^yF
模拟任务:反射光束整形设置 AaJnRtBS~ 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。 T:EUI]
%@[ ~s,6<
_VAX~Y] 1VO>Bh.Wm
-gLU>I7wV zB)wYKwZ 规格:像散激光光束 I~U;M+n*y i.>d#S 由激光二极管发出的强像散高斯光束 =:v5`
: 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 EcmyY,w
TInp6w+u
hc5iIJ]
x?-kt.M
%KmhR2v KH76Vts
规格:柱形抛物面反射镜 BYsQu.N WzO[-csy 有抛物面曲率的圆柱镜 -VRKQNT 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 WEB enGQ 曲率半径等于焦距的两倍 "Bbd[ZI8 wg 6 AG<TY<nqL 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) D,;6$Pvg^ ,zH\&D$>u 对称抛物面镜区域用于光束的准直 's6hCs&|NV 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) ^Dw18gqr=@ 离轴角决定了截切区域 _8nT$!\\ +^@6{1 规格:参数概述(12° x 46°光束) u}IQ)Ma sBm/9vu
V(6ovJpA0 LDv>hzo 光束整形装置的光路图 +%RB&:K7, c ,RY
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Nc[V kJ] 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 SI@Yct]<g 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。 n!t][d/g+ RI64QD 反射光束整形系统的3D视图 w?zY9Fs=s
.LHzaeJCX
K+J fU
J R?GF,s<j 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 DANndXQLH 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)。 $ACD6u6 =5Auk5& 详述案例 nvnJVkL9s aXO|%qX 模拟和结果 1brKs-z dX:#KdK 结果:3D系统光线扫描分析 %G>V .d 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 &C7HG^;W9 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 rCdf*; 1$G'Kg/ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd G`r*)pdm uA2-&smw 使用参数耦合来设置系统 %R[X_n=
$*i"rlJC
5!)_"u3
自由参数: esVZ2_eL
反射镜1后y方向的光束半径 d8Kxtg
Y
反射镜2后的光束半径 /*yPy?
视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) fKZgAISF
由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 [e+$jsPl
对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 :Y ;\1J<b1
mjz<,s`D
CuD ^@
$1$T2'C~+
\9t6#8
86,$ I+
qEbzF#a-: 自由参数: Vz,2_QJ 反射镜1后y方向的光束半径 h8lI#Gs 反射镜2后的光束半径 edy6WzxBcm 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) \v}3j^Yu 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。 qxe%RYdA'j DfQD!}= ]\t+zF>&Y 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。
XUyoZl? U\Hd?&`9gz ^."HD( 结果:使用GFT+进行光束整形 pD>^Dfd K2GcU_*t
/o_h'l|PS MjHjL~Tg Z/ypWoV( 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
)d|hIW]7( f{Dc R" CxOBH89( 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。
KVrK:W--p yNb
:zoT 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。
G$D6#/rR U0M>A 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差:
!F|iL CF`fn6
5E+k}S]M$ S-Y(Vn4 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
rpNe8"sh :tA|g 结果:评估光束参数 O<x53MN^ *ppb4R;CW KrFV4J[ 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。
XTZI! 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。
*0^t;A+
PUN.nt ]PnE% 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。
a'v%bL;H~ 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)
QJG]z'c+ j{nkus2 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
995^[c1o6 2rw<]Ce 光束质量优化 A_t<SG5
S %"7`xl eXU;UO^ 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。
TLL.Ch|#Y 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)。
i`g>Y5 Kup-O
u, 结果:光束质量优化 ^j2:fJOU# H\kqmPl& X
|f'e@ 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。
]'aGoR b'N"?W^YQ
,
"zS
pN FVsNOU 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。)
B(MO!GNg= Dz&4za+{
ubhem(p# file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
OD"eB? qR_"aQ7s2 反射镜方向的蒙特卡洛公差 !UUh7'W4u is}Fy>9i 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。
MjU>qx:: p Nu13o~ Ze$:-7Czl 这意味着参数变化是的正态
1F5F2OT$8 gzDb~UEoF
D0QXvrf s=huOjKL]
yh5KN_W 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。
UhCd, 这意味着,波前对对齐误差很敏感。
"`:#sF9S /]xd[^
cQPH le2 ?=IbiT file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
#U/B,`= > No[xf9>t 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)
/KKX;L[D( yB.6U56
S0=BfkHi. kX1hcAa 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。
5<w0*~Zd~ of& vQ 总结 wq]nz! GZ'hj_2%< 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
*8XGo 1.模拟 Fr%KO)s2 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
$]81 s` 2.研究 9I RE@c 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。
u gfV' 3.优化 Q}2w~Cn\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。
YgWnPp 4.分析 '`o+#\,b^% 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
>Ft jrEB 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。
&2\.6rb. nMc-kyl{ 参考文献 j#p3c [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).
OC\C^Yh*U {{DW P-v4 进一步阅读 sox90o 7 %)aDh
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进一步阅读 1g/mzC 获得入门视频
5d4-95['_ - 介绍光路图
wOk:Q4OjL - 介绍参数运行
E_y h9lk 关于案例的文档
@/7Rp8Fr - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
.HtDcGp - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens
\R#XSW, - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
=C:0='a - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
OQsH,' |]]fcJOBP i'EXylb QQ:2987619807