光束传输系统(BDS.0005 v1.0) zXxT%ZcCj
[ $n_6
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 J9iy
K_ ~"}
`o8/(`a Jrpx}2'9:a
简述案例 Z//+Gw<' //<nr\oP 系统详情 Nyj( 0W 光源 Mz~D#6= - 强象散VIS激光二极管 iBgx 元件 I \[_9 - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) l
+OFw)8od - 具有高斯振幅调制的光阑 &&:YVd
探测器 C-MjJ6D< - 光线可视化(3D显示) \\dMy9M- - 波前差探测 i,4>0o? - 场分布和相位计算 )MchsuF< - 光束参数(M2值,发散角) %H&@^Tt a 模拟/设计 \EtQ5T*u - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 Yqi4&~?db - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): 5BKt1%Pg 分析和优化整形光束质量 QY?~ZwYB 元件方向的蒙特卡洛公差分析 Vq?p|wy ?fjuh}Q5h 系统说明 Zk"eA'"\ =~H<Z LE+
?ztkE62t 模拟和设计结果 &NK,VB; (#RHB`h5
6ne7]RY 场(强度)分布 优化后
数值探测器结果 IrhA+)pdse
,N[7/kT|
71gT.E
~SF<,-Kg 1@R
Db)<V 总结 b+6\JE^Mz
ime\f*Fg 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 oxkoA 1.模拟 v+`N*\J_ 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 iS Gq!D 2.评估 V(6Z3g 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 2fR02={- 3.优化 ;y\IqiA{o 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。 bc)~k: 4.分析 /.M N 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 X/2&!O 7/f3Z1g 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。 D.Q=]jOs RBm ;e0 详述案例 WDPb!-VT
U`d5vEhT 系统参数 db6b-Y{ ie\"$i.98H 案例的内容和目标 V'T ,4
t&CJ%XP 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 af+IP_6
. qA$*YIlK
0F|AA"mMT 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 2.zsCu4lj. 之后,研究并优化整形光束的质量。 MIoEauf 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 s6zNV4 d%,eZXg' 模拟任务:反射光束整形设置 ;\Y&ce 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。 >wBJy4:
H_ox_
u}
"4H
+!r} j|%HIF25
<$~mE9a6 5nO% Ke= 规格:像散激光光束 M:3h e xJZ>uTN 由激光二极管发出的强像散高斯光束 wl$h4 {L7 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ?)X,0P'
(egzH?
M9@ri ^x
;b(p=\i
oifv+oY okv 1K
规格:柱形抛物面反射镜 :8+Ni d) xs:n\N 有抛物面曲率的圆柱镜 &2zq%((r 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 a@* S+3 曲率半径等于焦距的两倍 nwaxz>; )5U[o0td 78OIUNm` 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) _DNHc* G\r?f& 对称抛物面镜区域用于光束的准直 a|=x5`h04~ 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) FR!? #! 离轴角决定了截切区域 I{:(z3 1u(.T0j7f 规格:参数概述(12° x 46°光束) Ej>g.vp8I k]HEhY
(tGY%oT" ez!C? 光束整形装置的光路图 Bw64 z0*_^MH
e=;AfK 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 {=-\|(Bx 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。
=xJKIu OP|8S k6
r 反射光束整形系统的3D视图 ~Oq +IA~9
*`Yv.=cd
g9WGkHF 1,~SS 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 /<8N\_wh 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)。 QZhjb Bv.`R0e& 详述案例 pBP.x#| D<X.\})Md 模拟和结果 Yx inE`u~ k`p74MWu 结果:3D系统光线扫描分析 BC;: 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 z)=+ F] 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 @L:>!< -cm$[,b6 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd u% n*gcY ^e>Wo7r 使用参数耦合来设置系统 Z)xaJGbw
,SiY;(b=\
~~,rp) )
自由参数: A4?+T+#d
反射镜1后y方向的光束半径 (?! ,p^
反射镜2后的光束半径 zf>5,k'x'A
视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) {;
>Q.OX@
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。 13&0rLS
对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 gxMfu?zk"
dk<XzO~g
t/PlcV_M"
\VFHHi:I
i^!ez5z
V$rlA'+1v
V@QK 自由参数: iTg; 7~1pY 反射镜1后y方向的光束半径 ~E^,=4 反射镜2后的光束半径 N#_GJSG_| 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 5rV(( 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。 k') E/n \Ro^*4B R?EASc!b 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。
yj(vkifEB b4""|P?L 1uk0d`JL 结果:使用GFT+进行光束整形 a`u
S[r> rUjdq/I:Z
~b|`'kU
E|$Oha[ `O8b1-1q~ 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
:aIN9; ,*@AX> =60~UM 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。
P0-Fc@&Y ACK1@eF 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。
0G2g4DSKD ;|cTHGxbE 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差:
^U8r0]9 9r2IuS0
:p4 "IeKs x)_@9ldYv file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
-sMyt HH. f0LP?] 结果:评估光束参数 n!E2_ Jj^GWZRu 9=/N|m8. 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。
^R$'eG 4L? 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。
l**;k+hw
N6[i{;K@N{ a/uo}[Y 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。
%AnW~v 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)
-)y%~Zn Pu>N_^ C file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
Ut)r&? t=#Pya 光束质量优化 5ZAb]F90 ARfRsPxr AP\ofLmq 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。
2~;&g?T6 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)。
%:qoV0DR lKEa)KF[ 结果:光束质量优化 KIVH!2q; w h$jr{
,goBq3[%? 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。
I}Xg&-L RX2{g^V7
/MOnNnV %E27.$E_ 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。)
!)Rr]
~ YTU.$t;Ez
Jll-X\O`- file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
r5/R5Ga^ XvSIWs 反射镜方向的蒙特卡洛公差 S C_|A9 "L2 m-e6 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。
*N/hc BZF,=v #cwCocw 这意味着参数变化是的正态
u=qPzmywt {sC=J hs-
/axTh 1=Ilej1 3,.%
s 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。
]i8c\UV \ 这意味着,波前对对齐误差很敏感。
I*1S/o_xI ".2A9]_s
LI:Tc7t &(& file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
;>2#@QP ]X" / yAn 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)
iY.eJlfH Ds5NAp:x
`%E9xcD% Uk-HP\C"7 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。
@%@zH%b j.QHkI1. 总结 \].J-^= .T3=Eq&"W 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
TvrwVL) 1.模拟 vg5NY =O 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
"]]q} O? 2.研究 Ob(leL>ow 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。
} 21j 3.优化 |ft:|/^F& 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。
o1YU_k<# 4.分析 |@`"F5@, 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
!O\X+#j 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。
t]TyXAr~ pVOI5>f\ 参考文献 -fux2?8M [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).
.k]#XoE YhgUCF# 进一步阅读 v"k4ATWP 9oq)X[ 进一步阅读 La}o(7=s 获得入门视频
&`PbO - 介绍光路图
C.E[6$oVc - 介绍参数运行
B/Ba5z"r$ 关于案例的文档
~R!gJTO9 - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
uiK:*[ - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens
Jn,w)Els - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
{aJz. `u\ - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair