光束传输系统(BDS.0005 v1.0) ^~^mR#<P$
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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 YMi/uy
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ytEQ` Q}=fVY
简述案例 x'@W=P 7 !?jK1{E3 系统详情 'r~8 光源 5)w4)K-% - 强象散VIS激光二极管 >GgE,h 元件 8+9\7* - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) v' C@jsxM - 具有高斯振幅调制的光阑 5`"iq
"5Cf 探测器 )&>L !,z - 光线可视化(3D显示) WhH!U0 - 波前差探测 fTBVvY4( - 场分布和相位计算 4iwf\# - 光束参数(M2值,发散角) a_Jb>} 模拟/设计 YUCC*t - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 +@e
}mL\8 - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): E-^2"j>o 分析和优化整形光束质量 Y.7} 元件方向的蒙特卡洛公差分析 6Z Xu,ks} xWDR726 系统说明 n!ZMTcK8 ^ESUMXb
WVOoHH 模拟和设计结果 [P{a_( sZKEUSFD #
JRXRi*@ 场(强度)分布 优化后
数值探测器结果 teAukE=}
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9:Si]
Pp+S
Bhe{L?}0 "CBRPp 总结 pl|h>4af
UU[H@ym# 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 <6/= y1QC) 1.模拟 GV5qdD( 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 -G-3q6A 2.评估 g8RPHjvZ 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 z3W3=@ 3.优化 o5SQ1;`
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。 V#L'7">VP 4.分析 Lc|{aN 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 pM9yOY 0elxA8Z~e 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。 P\AqpQv |4fF T ` 详述案例 ~>g+2]Bn>$
V&%C\ns4 系统参数 m'bi\1Q gw+eM,Yp 案例的内容和目标 at|
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/P:EWUf' 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 FshC )[w, _~&9*D$
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D:9
2\l 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 8I.VJ3Q
之后,研究并优化整形光束的质量。 nxfoWy 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ($8t%jVWJJ Da_()e[9p 模拟任务:反射光束整形设置 u okc:D 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。 $gvr
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Oaa"T8t Z9[+'ZWt 规格:像散激光光束 .3X Y&6 ]iVLHVqz 由激光二极管发出的强像散高斯光束 '!Wvqs 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 '3Q3lM'lh
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规格:柱形抛物面反射镜 24B<[lSK %u!b& 5]e 有抛物面曲率的圆柱镜 `]<`$71w 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 B<,YPS8w 曲率半径等于焦距的两倍 FFvCi@oT {dzoEM[
1s Qihdn66 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) }r3~rG<D71 .zkP~xQ~ 对称抛物面镜区域用于光束的准直 eB]R3j{ 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) >5ChcefH 离轴角决定了截切区域 uM S*(L_ r\qz5G *6 规格:参数概述(12° x 46°光束) G%{0i20_ t'(1I|7
MbA\pG'T (kw5>c7 光束整形装置的光路图 [Qj;/ 5o0Ch
SSA W52xC 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 z]@6fM[ 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。 0xMj=3'] {y-^~Q"z 反射光束整形系统的3D视图 -t-tn22
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,D=fFpn |FNCXlgZ 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 WNy3@+@GZ 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 ^}$O|t (f#b7O-Wn 详述案例 =RKSag& 8@\7&C(g17 模拟和结果 eV};9VJ$F -x*2t;%z{U 结果:3D系统光线扫描分析 JL^2l$up 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 ,6"l (]0 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 C9~~O~7x 4N>>+]MWc file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd N4!<Xj \RG!@$i 使用参数耦合来设置系统 i$^ZTb^
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自由参数: )"<8K}%!
反射镜1后y方向的光束半径 LKF/u` 0dP
反射镜2后的光束半径 0C$vS`s&
视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) ~)]} 91p
由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 4P8*k[.
对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 &^.57]
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kxB.,' 自由参数: w=7L3AW 反射镜1后y方向的光束半径 x3G :(YfO 反射镜2后的光束半径 5/0j}_pP 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) vqdX^m^PY 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 []pN$]+c `BXS)xj R9o- `Wz 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。
Gh(
A%x) HIvZQQW| F5T3E?_ 结果:使用GFT+进行光束整形 gzn^#3 b ^QXbJJ
lS5ny !cX[-}Q vGd1w%J- 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
^A_;#vK C(?blv-vM0 !nf-}ze{ 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。
Kq6jw/T r%]Qlt~K 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。
Sv[ 5NZn0& 6p;m\ 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差:
0Q9T3X 2t#L:vY
I/J7rkf ssQ BSbx file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
",qU,0 z? ]G3$i( 结果:评估光束参数 G;iEo4\? N:5[,O<m_ 6sfwlT 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。
}Fb!?['G5 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。
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n~IVNB* ed!>)Cb 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。
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,. M²值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M²值是由光束偏离引起的)
e /K#>, 6QQfQ, file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
2'0K WYM NZLAk~R;0 光束质量优化 kSncZ0K{ R!\EKH \_6OC Vil 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。
+>f<EPGn 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
j7QX,_Q p<Z3tD;Z 结果:光束质量优化 32)tJ|m %q3$|> +C]&2zc. 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。
Av J4\ r),PtI0X
}ut]\]b 7*o*6,/ 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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h! file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
tA.`k;LT :*514N 反射镜方向的蒙特卡洛公差 ],etZ%z& ~EiH-z4U 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。
7j<e)" eU+ {*YJg U\@A_
B 这意味着参数变化是的正态
Y,S\2or$ h!@,8y[B
)Q;978: k3!a$0Bs; PG%0yv% 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。
Sb2v_o 这意味着,波前对对齐误差很敏感。
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{^)70Vz>PE DPgm%Xq9(! file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
Ol/\t 3L>IX8_ 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)
Pz_Oe,{.I h+~P"i}&\
sfT+i;p [4Ll0GSp 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。
-[7O7' gApoX0nrv 总结 Y&bMCI6U F'8T;J7 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
e9pOisZ;8 1.模拟 yGBQ0o7E 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
R@Y=o].2 2.研究 _cH@I?B 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。
I`RBj `IF 3.优化 \BV
0zKd 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。
@`"AHt 4.分析 y7\"[<E`(V 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
|f( ~@Q: 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。
NLd``=& bKVj [r8D~ 参考文献 IakKi4( [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).
2RtHg_d_l hn)a@ 进一步阅读 S0/usC[r )emOKS 进一步阅读 t q50fq' 获得入门视频
H!IshZfktn - 介绍光路图
5AeQQU - 介绍参数运行
p0p4Xh1e 关于案例的文档
z2c5m - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
-4#2/GXNO - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens
b;mSQ4+ - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
faXx4A2" - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair