光束传输系统(BDS.0005 v1.0) ,W/Y@ScC
4<5*HpW
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 o$7UWKW8
Bi"cWO
Fta=yH} +apn3\_
简述案例 kKDf%= f'qM?GlET 系统详情 2n#H%&^?a 光源 ]~ S
zb - 强象散VIS激光二极管 CwyE8v 元件 :x^e T - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) J @IKXhb7_ - 具有高斯振幅调制的光阑 ?[DVYP 探测器 jxYze/I - 光线可视化(3D显示) T$;BZ=_ - 波前差探测 /N./l4D1K- - 场分布和相位计算 i~5'bSqc - 光束参数(M2值,发散角) `>lY$EBG@[ 模拟/设计 T)eUo - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 mT; - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): o0dD 分析和优化整形光束质量 BgB0 元件方向的蒙特卡洛公差分析 gzlRK^5 whGtVx|zR 系统说明 +vV?[e ,.;{J|4P
9c5DEq 模拟和设计结果 6\y?+H1 xsvJjs;=
KR%NgV+}!0 场(强度)分布 优化后
数值探测器结果 [8 23w.{]#
:01B)~^
};gcM@]]E
"=$uv bJeF1LjS 总结 >yLdrf
;D%H}+Z 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 6.|[;>Km 1.模拟 3 [O+wVv 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 "K;""]#wg0 2.评估 =t|,6Vp 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 \(zUI 3.优化 PMQlJ& 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。 uOh 4.分析 o,$K=#Iv 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 oTTE<Ct[ Ac}5, 对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 ~Ds3-#mMy dkQP.Tj$i 详述案例 `@So6%3Y|
]v+yeGIK S 系统参数 /38XaKc{6 UunZ/A$]m 案例的内容和目标 .B!
Z0
-"x@ V7X 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 AyOy&]g 8}Q2!,9Q
D23 c/8K 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 SXNde@%
{ 之后,研究并优化整形光束的质量。 '<6DLtZl 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 QM7BFS; &WS'Me 模拟任务:反射光束整形设置 YmHu8H_Q 引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 Sj viH
4lwoTGVZj
\Y6r
!D9 #K/95!)
| _nBiHjNn #W4
" ^#2 规格:像散激光光束 u$D%Iz nUCOHVI7 由激光二极管发出的强像散高斯光束 jZiz 0[ 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 h"f_T
[
k/)h @K8@
h:KEhj\d?
\4O_@d`A
vb9C %Y9CZRY9
规格:柱形抛物面反射镜 YhP+{Y8t .d?LRf 有抛物面曲率的圆柱镜 {/qQ=$t 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 OMBH[_ 曲率半径等于焦距的两倍 !&5*H06 !%N@>[ hV
fANbs 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) hUEA)c dq0!.gBT2 对称抛物面镜区域用于光束的准直 $KP;9 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) dZ4c!3'F 离轴角决定了截切区域 msQ?V&+< iV!V!0- @ 规格:参数概述(12° x 46°光束) -wh '($$-P\/
2q*wYuc v4XEp
光束整形装置的光路图 }hcY5E-n oqzWL~
,Kt51vG i 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 M(n@ytz 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。 L-%'jR NCgKWyRR 反射光束整形系统的3D视图 $oPc,zS-gL
r;+a%?P
2UxmKp[ :#D~j]pP 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ZH~Wn#Wp 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)。 *Rxn3tR7 Mh{>#Gs 详述案例 X8wtdd]64 +,j6dYub 模拟和结果 p6ryUJc6 Mq_P'/ 结果:3D系统光线扫描分析 s'bTP(wl9 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 ncTMcu 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 I1I-,~hO $EzWUt file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd PKQ.gPu6*@ <(H<*Xf9 使用参数耦合来设置系统 <~S]jtL.j:
/U`p|M;
hD4>mpk
自由参数: n~ 0MhE0H
反射镜1后y方向的光束半径 7k00lKA\w
反射镜2后的光束半径 3[8p,wx
视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) C>SOd]
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。 P'DcNMdw
对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 wuM'M<J@
_]{LjJ!M
l]gW_wUQd
Xz9[0;Q
&9"Y:),
:Gew8G
>]o>iOz;] 自由参数: wuW{2+)B 反射镜1后y方向的光束半径 @4]{ZUV 反射镜2后的光束半径 d24_,o\_ 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) iio-RT?! 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。 ?7J::}R qw>vu7/z $\|Q+ 7lQ 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。
4C;y2`C ZX#60o8 lxr;AJ( 结果:使用GFT+进行光束整形 L27WD m^) b=U3&CV9
6 N:Ps8Hg ).A9>^6?{ ayQeT 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
!~vx|_$# %wI)uJ2 >Bu9 D 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。
f^ZhFu? 67
~p n 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。
Pn6~66a6 Tu5p`p3-j 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差:
xGOVMo
+ p1K]m>Y{?
?~(#~3x Xo&\~b#- file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
/7fd"U$Lh fre5{=@ 结果:评估光束参数 /lh1sHgD =Y5m% ,Bq Y*\N{6$2 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。
7#NHPn 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。
~*9Ue@
I)s_f5' TdT`Vf 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。
x+;y0`oL 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)
+l.LwA WglpWp) file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
08D:2 z1z rHk,OC 光束质量优化 e9tb]sAG vxLr034 z[myf]@ 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。
C'R6mz% Q? 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)。
1uCF9P
ai 3HW&\:q5'M 结果:光束质量优化 ts}OE ewHs ]V+U #f HnM+ 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。
$mE3 FJP> *Ms"{+C
g_N^Y Li"+` 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。)
P=6d<no&< :K"~PrHm
c))?9H
,e) file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
HtiIg a 7 pek=!nZ 反射镜方向的蒙特卡洛公差 OP" _I!t W$()W) 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。
?6{g7S% ?6hd(^ YD;d*E%t 这意味着参数变化是的正态
0a^bAEP u@`a~
h]+;"v6 / (Y8LyY VJT /9O)Z| 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。
>]xW{71F@ 这意味着,波前对对齐误差很敏感。
rpDBKo o 9/,@Ri\5
('U TjV /<IWdy]$3 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
c$^v~lQS W5= j&&|! 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)
;1{=t!z= QKB+mjMH#x
*hJWuMfY, UcOP 0_/ 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。
~cfXEjE6 l>`66~+s,` 总结 $u'"C|>8 jZPGUoRLg 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
jC>#`gD 1.模拟 a0gg<Ml 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
~:o$}`mW 2.研究 D}lqd Ja 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。
D4|Ajeo;1 3.优化 I`rN+c: 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。
7aKI=;60. 4.分析 wWfj#IB;R 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
Z"_8l3 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。
-N wic| VPuR4p. 参考文献 REE.8_ [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).
<tZZ]Y] DB-79U %W 进一步阅读 X&LJ"ahK |N%
l
at 进一步阅读 Xq03o#-p+ 获得入门视频
58HA*w - 介绍光路图
6w;`A9G[YI - 介绍参数运行
~%g,Uypi 关于案例的文档
'j,
([ - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
,=4,eCS - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens
njg0MZBqA - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
WysWg7,r - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair