光束传输系统(BDS.0005 v1.0) #Tt*NU
V^rL
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 mkrVeBp
lD-2 5~YV
.Lu3LVS N
Hn#c3o
简述案例 {s@ 0<! Kr;=4xg= 系统详情 MSRk|0Mcr 光源 *adznd - 强象散VIS激光二极管 M?GkHJ %! 元件 .2s^8 g O - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) Zo
}^"u - 具有高斯振幅调制的光阑 X*:,| 探测器 _O;4> - 光线可视化(3D显示) pMAP/..+2 - 波前差探测 sZEa8 - 场分布和相位计算 nF<xJs - 光束参数(M2值,发散角) pM}~/ 模拟/设计 >#Xz~xI/I - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 FCWk8/ - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): +S`cUn7 分析和优化整形光束质量 9!kp3x/` 元件方向的蒙特卡洛公差分析 <q>d@Foi `S.I,<& 系统说明 6>
z{xYat zqBzataR:
sFnR; 模拟和设计结果 g"(@+\XZH" Tj{3#?]Ho
9v?@2sOoE 场(强度)分布 优化后
数值探测器结果 L]u^$=rI
&Yc'X+'4
5 jUy[w @
scYqU7$%T &U7h9o H 总结 &%;n9K
FSAX,Y 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 WiZTE(NM` 1.模拟 u6Wan*I? 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 >,h{` 2.评估 _[-W*,xJ) 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 %>6ilGQ+ 3.优化 ;R
Jv7@ 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。 ]61HQ 4.分析 SM2N3"\ 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 9+xO2n 3vjOfr` 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。 ?Zsh\^k.g ^SKHYo`,,N 详述案例 jzGK(%sw"
6x=w-32+ y 系统参数
S~E@A.7 8lGM>(:o 案例的内容和目标 6-0sBB9=u
ZoSyc--Bv 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 "Dc\w@`E 0 CV_M |
F&m9G >r 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 tf|;'Nc6 之后,研究并优化整形光束的质量。 [#RFdn< 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 )0ydSz`B URg;e M# 模拟任务:反射光束整形设置 &R?to>xr\ 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。 \E<Qi3W>*
dr+(C[=
Y_n3O@, hITYBPqRO
k?TZY|_ x[Hx.G}5+ 规格:像散激光光束 FfrC/"N &vt)7[ 由激光二极管发出的强像散高斯光束 /3K)$Er 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 aq8./^
(V\N1T,f
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\w>Rmf'| UB~-$\.
规格:柱形抛物面反射镜 :KA)4[#;W $/tj<++W 有抛物面曲率的圆柱镜 b;5j awG 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 a0gg<Ml 曲率半径等于焦距的两倍 ~:o$}`mW D}lqd Ja sQkijo. 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) .UQ|k,,t cNxxX!P/ 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ge.>#1f} 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) \k`9s
q 离轴角决定了截切区域 kp* ! yiI
oqvP 规格:参数概述(12° x 46°光束) #asi%&3pP *<y9.\zY<
2,`X@N`\ v[{7\Hha 光束整形装置的光路图 F[yofRN nKS*y*
6Aq]I$ 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 D&2NO/
R 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。 adIrrK T 4p}5ew' 反射光束整形系统的3D视图 X'
5R4j
n8=Dzv0
jll:Rh(b g3&nxZ 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Ky,upU 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)。 <I
tS_/z jOrfI-&.G 详述案例 l&U$LN$*e 0m4M@94 模拟和结果 { +w.Z,D" 4:NMZ `~ 结果:3D系统光线扫描分析 M!Ao!D[ 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 9?hZf$z 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 H1B%}G*Ir- 7x>^ip"7 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Ui
(nMEon WQ[nK5# 使用参数耦合来设置系统 {}k3nJfE
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自由参数: ;hO6 p
反射镜1后y方向的光束半径 BlU&=;#r5>
反射镜2后的光束半径 !E?+1WDS0
视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) nb=mY&q}~
由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 }EkL[H!
对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 g`S;xs
`vAcCahM
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oo &|(+"O_
d]O:VghY\
_v 0iH
@9_mk@ 自由参数: (1^;l;7H 反射镜1后y方向的光束半径 {TpbUj0 反射镜2后的光束半径 'Gc{cNbXIA 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) SF+L-R<e 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 XF)N_}X^ u%:`r*r O{~Xp!QQt 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。
B!x#|vGXL 9GCK3 tB~#;:g 结果:使用GFT+进行光束整形 }aE' ZM -P
c YgJ}(>} qna!j|90Lp ]goJ- & 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
(:OMt2{r R3_OCM_* p@f
#fs 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。
jGz~}&B GLecBF+>F 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。
4Xa]yA = u_' -vZ_ 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差:
iv +a5 Q%d%Io\-t
k6ry"W3 u3O@ccJ; file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
:E6*m\X!3 d;l%XZe 结果:评估光束参数 !nkIXgWz Uvm.|p_V [>a3` 0M 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。
dFw+nGN 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。
lPxhqF5pP
Fy<:iv0>t eo4z!@pRN 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。
%?].(
Lc M²值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M²值是由光束偏离引起的)
W7uX 'pIrwA^6N file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
pu/5#[MC)^ +&VY6(Zj+* 光束质量优化 6Y]P7j o[_,r]%+D J?m/u6 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。
vi^YtA 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
GIEQD$vy Ds"%= 结果:光束质量优化 K1J |\!o p
P@q
` bLG7{qp 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。
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kEC^_sO" pp(09y`] 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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>qNpY(Ql file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
lmHQ"z 3G ~HGSA( 反射镜方向的蒙特卡洛公差 80lhhqRC h.#:7d(g 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。
lq_UCCnv5 :$u[1&6 *s 4Ym 这意味着参数变化是的正态
hR|xUp
5[X%17&t
| 8mWR=9fs 9FSa=<0wE ](R
/4 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。
Nm&'&L%Ch 这意味着,波前对对齐误差很敏感。
Q`8-|(ngw sz270k%[
tL;.vRx Ey:?! file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
`=hCS0F };rp25i 第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ)
i@rUZYF rucw{)
_
',`Qx{tQ) kBA.N l7 由于波前差和因此校准的偏差更大,M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。
In?+ [>dDRsZ 总结 L3oL>r'| b(|&e 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
jq]5Y^e 1.模拟 o?/H<k\5 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
^wZx=kas 2.研究 6c^?DLy9B 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。
Q]=/e7 3.优化 7W SP0Xyz 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。
p+?`ru 4.分析 1SS1P0Ur 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
8vq-|p 可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。
I$sXbM;z= |X1axRO 参考文献 >%`SXB&9 [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).
_XP}fx7$C CB>W# P% 进一步阅读 6e \?%,H 1ED7.#g 进一步阅读 ENqZ=Lyq 获得入门视频
kdGq\k, - 介绍光路图
yI|x
5f - 介绍参数运行
2>X yrG 关于案例的文档
c0e[vrP: - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
@0EY5{& - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens
0#'MR., - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
HP*{1Q@5 - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair