光束传输系统(BDS.0005 v1.0) 37q@rDm2
w]_zp?\^
}
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 VN'Wq7>6
WnHUE
*1'`"D~ i `0v#P
简述案例 =rd|0K"(r 8LI-gp\ 2 系统详情 :qvI%1cP= 光源 `T2$4 >! - 强象散VIS激光二极管 0vGyI> 元件 s3 ;DG - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) @<@SMK) - 具有高斯振幅调制的光阑 lg}HGG 探测器 9 Q!bt - 光线可视化(3D显示) tj*y)28- - 波前差探测 `$604+G - 场分布和相位计算 &(a(W22O - 光束参数(M2值,发散角) TS"D]Txs 模拟/设计 ;D.h65rr - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 aP&D9%5 - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): '>k{tPi. 分析和优化整形光束质量 @f!AkzI 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ya
-i^i\ ==H$zmK 系统说明 2`a
q**} "{E qhR~
+-a&2J;J' 模拟和设计结果 J RPSvP\ $>R(W=Q
Kv{8iAB#c 场(强度)分布 优化后
数值探测器结果 -/D|]qqHm
rxO2js
}#v{`Sn%^C
{S<>&?XB
?W0(|9 总结 =6=_/q2
1P]de'-`j 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Z?^"\u- 1.模拟 [`Cq\mI-W 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 DXQi-+? 2.评估 l12$l<x&M 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 jko"MfJ 3.优化 cE{ =(OQ 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。 6`$[Ini 4.分析 (shK 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 oh#>
5cA8 [ut#:1h^ 对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 |c2v%'J2G Gy@7Xf 详述案例 }4nT.!5
'FzN[% K" 系统参数 !]S=z^"< S*)o)34U 案例的内容和目标 i_F$&?)
hxC!+ArVe 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 qUf)j\7"Fn |*,jU;NI
BN@,/m9OQ% 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 YCw('i(| 之后,研究并优化整形光束的质量。 ]=D5p_A( 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 -)<mS ,fnsE^}.U 模拟任务:反射光束整形设置 LQ-6vrbs 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。 c Cxi{a1uo
3AlqBXE"Z<
:w?7j_p# ~2/{3m{3 A
S;A)C`X& gvnj&h.GV 规格:像散激光光束 -{9Gagy2& zH'2s-.bi 由激光二极管发出的强像散高斯光束 aQcN&UA@ 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 <]8^J}8T{D
k|O,1
Q-zdJt
>$F:*lO
+zRh
fIJHH E' %lxr
规格:柱形抛物面反射镜 7aQcP p\U*;'hv 有抛物面曲率的圆柱镜 >;i\v7 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 NygI67 曲率半径等于焦距的两倍 (L|}` JJl7JwSTW e`sw*m5 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) h39e)%x1 \8"QvC] 对称抛物面镜区域用于光束的准直 n9fk,3 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) )&.!3y 660 离轴角决定了截切区域 KtMbze 3 C"_$?y" 规格:参数概述(12° x 46°光束) <pOl[5v] <lOaor
c
'XTs
-= 6s,2NeVWa 光束整形装置的光路图 ;,0lUcV GOW"o"S
d,R6` i 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 [A_r1g&_ 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。 Ky&KF0 9bEM#Hj 反射光束整形系统的3D视图 ,QS'$n
\Hs|$
M5Wl3tZL <bdyAUeFw 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Wg(bD, 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)。 &r:m&?!|VQ Qcgu`]7} 详述案例
_>v0R' $WNG07]tU 模拟和结果 dwp:iM 4p x_ZD#J 结果:3D系统光线扫描分析 -]QguZE 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 k6J\Kkk( 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 E{gv,cUM {{E jMBg{ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ( 2zeG` `Z8^+AMc 使用参数耦合来设置系统 sJ7sjrEp1
i>"dBJh]b
.\)k+ R
自由参数: !2tw, QM
反射镜1后y方向的光束半径 sVcdj|j
反射镜2后的光束半径 HZuiVW8
视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) Bhx<g&|j
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。 gV.f*E1C
对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 a hwy_\
&GU@8
7(@(Hm
{,F/KL^u
(!ZV9S
3d@ef|
:Q=z=`*2w 自由参数: SJOmeN}4) 反射镜1后y方向的光束半径 fwH`}<o 反射镜2后的光束半径 ;24'f-Eri 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) $vqU|]J` 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。 >3+FZ@.iT QxA0I+i bHJoEYY^ 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。
=
uk`pj[l 08O7F blmmm(|~| 结果:使用GFT+进行光束整形 rV~T>x ~BtKd* ~*
Hy;901( % g#Mv&tU k%^<}s@ 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
E\_W *0-v!\{ W8x[3,gT 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。
IyT?-R Y!;gQeC 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。
aSTFcz" H):-!?: 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差:
0w'|d@*wV N
tO?
2@4x"F]U; 2mSD"[% file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
fPOEVmj< ^~,
ndH{ 结果:评估光束参数 bSY;[{Kl ?LR"hZ> @Mzz2&(dU 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。
Vj/fAHR`>' 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。
k3C"
erXy>H[; :cEd [Jm9 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。
Tt`L(oF 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)
^t`f1rGR E3LBPXK file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
=zz+<!! \m%J`{Mt 光束质量优化 HRj7n<>L= yB=C5-\F jT{f<P0 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。
c1PViko,> 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)。
jk
K#e$7 =?wMESU 结果:光束质量优化 lD9%xCo9( - J{Dxz fVG$8tB 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M²值在两个方向上几乎都是1。
-g9^0V`G v'h3CaA9j
l_bL,-|E8 N?\bBt@ 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。)
(%6(5,
zjea4>!A2
Ft )t`E'%j file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
mVa?aWpez @k_Jl>X 反射镜方向的蒙特卡洛公差 } /[_ "3\oQvi. 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。
sKe, Fq vQk 1XqIPiXJ 这意味着参数变化是的正态
3%_
4+zd uE"5 cq'B/
Po'-z<}wS :!(YEF#} N[0
xqQ 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。
S&5Q~}{, 这意味着,波前对对齐误差很敏感。
L[CU AGl|>f)
N-XVRuv K5 5} Wi file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
wEBtre7 i:V0fBR[> 第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ)
yJF 2 os}b?I*K
"|(rVj= gsLr= 由于波前差和因此校准的偏差更大,M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。
?H y%ULk AF6d#Klog 总结 \Y51KB\ _= o1?R 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
"Q3PC!7X:5 1.模拟 NE$VeW+@ 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
=''mpIg( 2.研究 3DxZ#/! 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。
n^* >a 3.优化 f@wsSm 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。
j5PaSk&o= 4.分析 %T`4!:vy 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
>W>##vK 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。
/d{glOk cYZwWMzp 参考文献 70'}f [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).
q,<n,0)K zWF
5m )- 进一步阅读 AeNyZ[40T WpXODkQL 进一步阅读 Py|H?
, 6= 获得入门视频
Q
mb[ e> - 介绍光路图
UiJ^~rn - 介绍参数运行
RY\{=f 关于案例的文档
>E//pr)_Km - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
s,1pZT <E - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens
@m+pr\h( - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
skk-.9 - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair