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通过使用锥透镜对生成贝塞尔光束以优化焦斑大小和焦深
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[技术]
通过使用锥透镜对生成贝塞尔光束以优化焦斑大小和焦深
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楼主
发表于: 2021-11-12
光束传输系统(BDS.0004 v1.0)
1v&!%9
t]I9[5Pq\
简述案例
np2&W'C/i
<ll?rPio"
光源
wa<k%_# M
-]wEk%j
- 像散光红外
激光
二极管
3;buC|ky
元件
Q u2 ~wp<
- 用于准直光束的折射
透镜
系统
kNK0KL
- 生成贝塞尔光束的锥透镜
'v^Vg
- 聚焦非球面透镜
$'KQP8M+
探测器
7;+G)44
- 点列图
}E ]l4N2
- 聚焦区域的1D和2D研究
.@fA_8
- 焦深(DOF)
(Yz[SK=U}
- 光束
参数
xc*a(v0
模拟/设计
Yuw:W:wY
-
光线
追迹:初始焦点位置探测
NWh1u`
- 场追迹:计算贝塞尔光束实际的形状和焦深
T1q27I
"gy&eR>
系统描述
N!c FUZ5]
R*vQvO%)h
@%fTdneH
模拟&设计结果
^?RH<z
1UK= t
G_?U?:!AC
其他VirtualLab Fusion特征
W`PJflr|
i.'"`pn_
在此案例中,你将受益于以下所选的特性:
4Q0ZY(2 EO
焦区域分析:
^R:&c;&,
- 剖面线分析器
w:lj4Z_
- 参数运行文件
{@CQ (
- HWxM探测器
ntLEk fK{
得到不同有益的信息/说明性的结果等
I#xdksY
- 光束质量:光束尺寸和形状
!`%j#bv
- 焦深
XfE0P(sE
- 不同2D和3D图样,显示了光束沿着光轴在焦区域传播
$ (;:4
"x R6~8
总结
z=KDkpV
#I?Z,;DI=
~-Kx^3(#
在这个例子中,它表明了如何通过一对锥透镜来减小焦斑尺寸以及增加焦深,。
27 XM&ZrZ
分析贝塞尔光束在焦区域的传播。
fD@d.8nXd
VirtualLab 能够进行对特殊的元件,如锥透镜生成的光束,能够进行物理
光学
,如光束的轮廓和聚焦分析。
3F]Dh^IR9
^+Nd\tp
_%R^8FjH*
mDz44XO
详述案例
>=97~a+.
Hk;;+ '-
系统参数
4/~x+tdc
^7\kvW
案例内容
1iY4|j;ahV
Soq#cl'll-
这个应用案例演示了通过锥透镜对生成“非衍射”(“non-diffractive”)贝塞尔光束以减小焦斑尺寸并增加焦深。
R_B0CM<!
j7ZxA*
模拟任务
HSysME1X:/
gdeM,A|
%IBT85{
EtzSaB*|
1SztN3'q
规格:非准直输入激光光束
27fLW&b2
lGr=I-=
p#jAEY p
与BDS.0001类似
P}~MO)*1
单模红外二极管
激光器
光源
<c[\\ :Hh*
*VhEl7
g ptf*^s
规格:准直透镜和之后的光
:+DrV\)
IrQ.[?C
BDS.0001中的透镜
Xi%Og\vm5
其后的光束参数
V3ht:>c9qs
}P?e31@:
规格:锥透镜对
g>h/|bw4
&*>.u8:r
锥透镜对由两个相同的锥透镜组成。
H;4QuB'^
张角通常是定义为逆时针。
2j8GJU/L
dscah0T
\4wMv[;7
第二个锥透镜沿光轴放置,并平行于第一个锥透镜,两者的相对距离为20.3672mm。张角为+20°。因此锥透镜对起到类似一个1.0扩束起的作用。
F8Ety^9>9
d~qQ_2M[G
F:q4cfL6
sR1_L/.
规格:非球面聚焦透镜
s 4_Dqm
从目录的非球面标签下选择一个平凸非球面透镜。
`{:Nt#7
模型:ALL12-25-S-U(A12-25LPX)
KxK,en4)+
pi"M*$
)9"^ D
在BDS.0002中,当
波长
为1064nm的时候,其后焦距为22.576mm
]TT >3"Dw7
't`h?VvL
Ur#jJR@%3
j5/pVXO
详述案例
#epbc K
zEFS\nP}E
模拟&结果
nQmHYOF%
#4mRMsW5"
光线追迹:分析光束焦点
*@' 'OyL
L0"|4=
file used: BDS.0004_OptimizeFocalBeamSize_01_RayTracing.lpd
pgES)
Y M:9m)
场追迹:计算衍射区中的场
BS fmS(.
:@i+yN cV
iSO xQ
几何场追迹+(GFT+)引擎在焦区域以为计算光的传输是准确的。
w\G J,e
实际上,由于几何方法在衍射区域是无效的,则当光束传输受衍射效应影响的时候,必须停止使用GEF+。而在受衍射影响的位置(场重构处)需要使用一种更合适的传输技术。
)iw-l~y;
使用经典场追迹技术可以将此处的重建光场传播到焦区域(=衍射区)。
yF(9=z"?
file used: BDS.0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+.lpd
<VhmtT%7
L" ejA
场追迹:计算重建平面上的场
XiTi3vCe
zN!W_2W*
;/$pxD
为了计算衍射区内的场,在离非球面18.5mm处,即几何区域的终结处,使用了几何场追迹虚拟屏探测器。
-+@N/d5
光作用于锥透镜的非连续性顶点会干扰了场数值的重构,因此必须使用一个光阑阻止此效应。
n7bVL#Sq[
file: BDS.0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+.lpd
((A@VcX
#aL.E(%
使用场追迹计算衍射区域的光传输
UxNn5(:sM@
"b`#RohCi
VQpt1cK*
通过经典场追迹,运用获得的重构场以计算衍射区域的光场分布。
aInt[D(
为了实现此目的,生成一个新的LPD,以将重构场放置在存储场元件(Stored Field Component)中。
9<?w9D.1
然后可以添加各种元件,如光学组件或探测器,经典场追迹为场提供了更准确的评价。
'O)v@p "
此LPD可以用于
优化
和使用自动化工具,例如参数运行(Parameter Run),通过改变到探测器距离来研究光束焦区域。
Zzjx;SF
Dst;sLr[,
file: BDS.0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFT.lpd
:bct+J}l~
Eh8GqFEM
在XZ-平面上研究焦区域
h@R n)D
]7_>l>
先前的LPD是用来执行一个参数运行,为了改变焦点和重建平面之间的距离——从3.8mm到4.3mm(对应于从22.3mm和22.8mm之间的一个非球面距离)以来研究焦区域。
qY8; k #
两图都显示了焦区域内沿x-轴的光强分布(上图为BDS.004,下图为BDS.002)。
}PK4 KRn
相比之下,锥透镜对在XZ-平面提供了一个光束更小的焦点。
{mD0ug
file used: BDS.0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegion.run
[Ix6ArY
4A@HR
在YZ-平面上研究焦区域
.t\J@?Z
Z0Sqw
两图都显示了焦区域内沿y-轴的光强分布(上图为BDS.004,下图为BDS.002)。
B0b|+5WhR
相比之下,锥透镜对在YZ-平面提供了一个光束更小的焦点。
!QwB8yK@
file used: BDS.0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegion.run
A[m?^vk q
sC\?{B0r
焦区域内的光束宽度
|.Vgk8oTl
OE(y$+L3_I
为了对焦区域的光束进行一个更详细的评估,分别计算了包含(BDS.0004)和不包含(BDS.0002)锥透镜对
光学系统
焦区域光束的半高宽(HWHM),并使用了高斯TEM00模式进行对比,如下图所示。
_'cB<9P
通过使用锥透镜对,可以很明显的看出聚焦光斑尺寸和聚焦深度得到了明显的提高。
} 9zi5o8
,]0BmlD
file: BDS.0004_OptimizeFocalBeamSize_05_HWHMxyAppEx0002&0004.da
.)tQ&2
@xdtl{5G
理论上,锥透镜产生理想的贝塞尔光束。这些光束有在焦区域内沿着一定的具有距离“非衍射”的特性。
dHx4yFS
因此,与相似光束尺寸高斯光束相比,贝塞尔光束在焦区域内有更高的焦深和较小的发散角。
1sg:8AA
为了对比焦深,将其定义为距离,即束腰(定义为HWHM)与因子√2的乘积。
WVyDE1K<
{D8opepO)
为了比较焦深,计算了高斯TEM00模以作为参考,所有光束的焦面上,其光束束腰与贝塞尔光束束腰类似。
~s&r.6DW
作为对比,计算处的两者的束腰和焦深在下表中列出。
<7`k[~)VB
请注意,由于进入锥透镜的光束是一种像差和像散高斯光束,则最终生成的光束不可能是理想贝塞尔光束,。
%R4 \[e
有趣的是,通过使用锥透镜对,光束的像散特性在焦区域得到了明显的提升。这可以在光束y剖面的参数上看出来。
(enr{1
此外,相比于有相似束腰的高斯光束,生成的贝塞尔光束的焦深增加了4倍。
VE]TT><
AAfU]4u0S
$)*qoV
透镜后22.576mm处焦斑的强度
r8 YM#dF
t"Du
file used: BDS.0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFT.lpd
其他VirtualLab Fusion特征
;L fn&2G
tLKf]5}f
在此案例中,你将从以下选择的特征中获益
&