光束传输系统(BDS.0005 v1.0) 5BO!K$6
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二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 {OoNhN9
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q5?mP6 )Nd:PnA
简述案例 EUS]Se2 :DpK{$eCb 系统详情 ojqX#>0K 光源 %,q#f# - 强象散VIS激光二极管 >A "aOV>K 元件 S^n4aBm\+ - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) VQx-gm8}! - 具有高斯振幅调制的光阑 P(+ar#,G 探测器 -dN;\x - 光线可视化(3D显示) "?.Wb L - 波前差探测 6oBt<r?CJ - 场分布和相位计算 SO<K#HfE$? - 光束参数(M2值,发散角) Ri0+nJ6 模拟/设计 `8bp6}OD, - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 vt=S0X^$yc - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): Wf w9cxGkf 分析和优化整形光束质量 ne*aC_)bT 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ] CE2/6Ph % 7: 系统说明 l7um9@[4 En_8H[<%
tqf-,BLh 模拟和设计结果 "n-xsAG ]g!<5w
=S +:qk 场(强度)分布 优化后
数值探测器结果 #!@
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lv&w p@
NFPkK?+
sB!A: Q:|E 总结 |(g2fByDf
+y#979A, 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 O$^YUHD 1.模拟 [_Z3v,vt, 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 k/Q]Ke 2.评估 gE(03SX 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 014!~c 3.优化 a$A
S?`L 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。 2O>iAzc 4.分析 ]7@Dqd-/S 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 A;PV,2|X pqX=l%{4ES 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。 b5C #xxIO A":x<9 详述案例 )63w&
``D-pnKK 系统参数 7 c7SU^hD SOJHw6 案例的内容和目标 i^Q^F
!).dc.P 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 C5FtJquGN) EA72%Y9F
<jjaqDSmz 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 mmti3Y 之后,研究并优化整形光束的质量。 nAOId90wue 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 BZsxf'eN'
6zSN?0c 模拟任务:反射光束整形设置 \WEC1+@ 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。 NKN!X/P
14O/R3+
,P]{*uqGiB ,0O!w>u_]J
6iOAYA= C_o.d~xm 规格:像散激光光束 4}`MV . ) Lv{ 由激光二极管发出的强像散高斯光束 UlR7_ 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 (;0]V+-
NaIVKo
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;+\;^nS3d
2*N# %ZUX ]b)(=-;>
规格:柱形抛物面反射镜 ? IWS dx#N)? 有抛物面曲率的圆柱镜 6$Y1[ 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 7Uh}|6PU 曲率半径等于焦距的两倍 G1BVI:A&S wlJ_,wA <=lP6B 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) b`'
;`*AN+ wP'`!O[W 对称抛物面镜区域用于光束的准直 YN^8s 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) e3.TGv7= 离轴角决定了截切区域 |?8wyP mDhU wZH 规格:参数概述(12° x 46°光束) x<" e ;Ti?(n#M>
pa7fTd
Ek:u[Uw\ 光束整形装置的光路图 #gq3 e fw5AZvE6$
mmi~A< 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 4)?c[aC4P 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。 X~0P+E# Wr;)3K
反射光束整形系统的3D视图 _oWenF
D6D*RTi4
QH;aJ(>$ X^?-Une 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 z&eJ?wb 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)。 drH!?0Dpg Z`[j;=[ 详述案例 ]l4\/EW6 ZyTah\yPM 模拟和结果
mJ-@:5 .Xr_BJ _ 结果:3D系统光线扫描分析 U6{ RHS[ 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 yy9Bd> 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 u%2u%-w v / a/ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd i''dY!2 4h|D[Cb] 使用参数耦合来设置系统 hPl;2r
bF3j* bpO"
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自由参数: i"r=b%;;
反射镜1后y方向的光束半径 KxvT}"k
反射镜2后的光束半径 >k:)'*
视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) q,2
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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。 Cnc77EUD
对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 z*FlZLHY
bw@tA7Y
?p`}6s Q}
?Hy++
d(k`Yk8
yfV{2[8ux
3p7*UVR" 自由参数: 3#dUQ1qo6 反射镜1后y方向的光束半径 :yv!
x 反射镜2后的光束半径 \4V'NTjB 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 9t= erhUr 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。 MjHeUf 7"M7N^ -i9/1.Z 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。
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7= z%b3/rx u+{5c5_ 结果:使用GFT+进行光束整形 |%$d/<<PZ y:1?~R
YTY0N5[" W0R6<-
1 cZ5[A T 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
|GIT{_JE LV`- eW 9)wjVk 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。
2PRGwK/ Z$2mVRS`c 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。
SJw0y[IL6( MECR0S9 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差:
fz<Y9h= m"u 9AOH k
XxV]U{i! $U!w#|& file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
Yh"R# G.L4l|%W 结果:评估光束参数 ucTkWqG 0(teplo&P d@`yRueWiV 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。
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d8^V_Kx 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。
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W.>yIA% |`#[jHd 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。
(/PD;R$b 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)
c,x2 xOP\ +( file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
r)ga{Nn,. #uKHw2N 光束质量优化 8>
Gp #T N/]TZu~k z yv,9 0+k 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。
T7&itgEYG/ 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)。
JWM/np6 v^JyVf> 结果:光束质量优化 (,HAOs
%kKtPrT |(Io(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。
F^KoEWj[H 4{*K%pv\
LKztGfy y%p&g 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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6<FJ`l]U9 file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
5h1FvJg lLoFM 反射镜方向的蒙特卡洛公差 e$ E=n QfRt3\^` 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。
oQFpIX;\m ]'MLy#9 'N0d==aI 这意味着参数变化是的正态
%]RzC`NZ > lN{FJ
LR'F/.Dx w9l)=[s= <eb>/ D 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。
`[/BG)4 这意味着,波前对对齐误差很敏感。
rEz=\yY^j' T<?JL.8 g_
8BC}D+q "P'W@ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
EivZI<<a a4O!q;tu7 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)
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r4D6g>)h1q Z_cTuu0' 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。
&3'II:x( r68'DJ&m3 总结 )nTOIfP2
WwPfz<I 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
Ri"3o 1.模拟 \{P(s: 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
7Oru{BQ"> 2.研究 e(,sFhR 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。
C$-IDBXK 3.优化 l%rwJLN1 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。
}q)oLC 4.分析 jx+%X\zokA 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
b-;+&Rb 可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。
39BGwKXb Y_xPr%%A 参考文献 =VH, i/@ [1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007).
Cn[`] 3;>|*(cO 进一步阅读 th2a'y=0 w`UB_h#Bl 进一步阅读 bWW$_Spr 获得入门视频
wMT?p/9Blm - 介绍光路图
BI3Q~ADV - 介绍参数运行
)R<hYd 关于案例的文档
^$4d' - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
!dv - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens
/q ;MihK - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
w<|^i* - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair