光束传输系统(BDS.0005 v1.0) -$d?e%}#
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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 8em'7hR9
V%,,GmiU]
Kr}RFJ"d ng1E'c]0@
简述案例 ?WI v4 )&c2+Y@ 系统详情 H,7='n7" 光源 `Y&`2WZ ~ - 强象散VIS激光二极管 @cDB 7w\ 元件 Etz#+R&* - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) >F$9&s& - 具有高斯振幅调制的光阑 {*_Ln 探测器 U2VEFm6 - 光线可视化(3D显示) A(y6]E! - 波前差探测 X5)D [aE6 - 场分布和相位计算 pS?D~0Nb - 光束参数(M2值,发散角) `G\
qGllX 模拟/设计 }+,Q&]>~ - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 i$Y#7^l%k - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): M
Kyj<@[ 分析和优化整形光束质量 |IAx!Z-P 元件方向的蒙特卡洛公差分析 -)A:@+GF UF9={fN1 系统说明 x;mw?B[ yFE0a"0y
N.|F8b]v 模拟和设计结果 $Itmm/M Tuvs}
@-q,%)?0}= 场(强度)分布 优化后
数值探测器结果 Ws2q/[\oz
0|GYt nd
EjPR+m
t>[QW`EeP (kL"*y/"p 总结 X9*n[ev
H I9/ 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
S'x ]c# 1.模拟 xU;SRB 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 Ar%*NxX 2.评估 XT^=v6^H 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 +w0Wg.4V 3.优化 eF3NyL(A 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。 ^#5'` #t 4.分析 )!(gS, 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 Y{dSQ|xz^ /JNG}* 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。 $1=7^v[U +Xg:*b9So 详述案例 TOiLv.Dor
6*,55,y 系统参数 ?y|&Mz'XJ( C:1(<1K 案例的内容和目标 ^!tX+`,6^
aZf/WiR2 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 V lZ+x)E Od.@G ~
:$I"n\ 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。
*twGIX 之后,研究并优化整形光束的质量。 qkfof{z 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 @<K<"`~H Bo:epus}\ 模拟任务:反射光束整形设置 j+!u=E 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。 V@0T&#
t__f=QB/
kQI'kL8> w&@tP^`
,DEq"VW_ }w)}=WmD 规格:像散激光光束 KXMf2)pa **P P 由激光二极管发出的强像散高斯光束 /[c_,G"" 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 &pK0>2
+.djC3^:
x)80:A}
A8ViJ
P)VQAM Ee5YW/9]
规格:柱形抛物面反射镜 Z +/3rd 2-m@- 有抛物面曲率的圆柱镜 d/GSG%zB 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 @ws&W=NQ 曲率半径等于焦距的两倍 .XpuD,^;@ f)vnm*&- Ft;x@!h% 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) mBIksts5h i:Y5aZc/Ds 对称抛物面镜区域用于光束的准直 >~d'i 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) !ak760*A 离轴角决定了截切区域 9@qkj
4w uznqq} 规格:参数概述(12° x 46°光束) @oY+b!L 86LE
)z
i^WY/ OhL NxJnU<g- 光束整形装置的光路图 bD)"Jy H8g6ZCU~
lDBAei3iB 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 "T[BSj?E 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。 Bor_(eL^ )Q9Qo)D T 反射光束整形系统的3D视图 #n&/v'!\
T5`ML'Dej
bOU"s>? DhxS@/ 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 RKzO$T 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 _{): w~zi 7Z9'Y?[m 详述案例 d&G]k!|\ 7"Nda3 模拟和结果 C-ORI}o d@^%fVhG 结果:3D系统光线扫描分析 ElTB{C>u 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 "Plo[E 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 6wT ])84 ).HA#!SE file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd |[r7B*fw W.s8!KH: 使用参数耦合来设置系统 YXTV$A+lW
Slo^tqbG
Bi9Q8#lh
自由参数: YeT{<9p
反射镜1后y方向的光束半径 k)z>9z%D
反射镜2后的光束半径 *Dq ++
视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) \{Q_\s&)
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。 Y8%l)g
对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 `uLr^G=;
c?<)!9:
iM7^
W=g'Xu!|!2
2aR9vmR
\^pc"?Rc
<!G\%C 自由参数: !\VEUF,K? 反射镜1后y方向的光束半径 jLn#%Ia} 反射镜2后的光束半径 RIUJX{? 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) u,:hT]
~+ 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。 Hr=|xw8. G*_]Lz(N G3y8M|: 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。
R<I#.
KD DC_uh &'zc2 结果:使用GFT+进行光束整形 H_XspiB@ J9;fqQCt
^B%ki gREk,4DAv YH+(N 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
bxwwYSS K:XP;#OsP xR$T/] / 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。
569p/? sMVk]Mb 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。
x'?p?u~[ B R 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差:
C6F7,v62 RiAMW|M"C
<-'
!I& {A< 9 61 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
%A3m%&(m&% {7DXSe4 结果:评估光束参数 G0Z5 h dg~lz8 0 RhB)AUAj 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。
!U}2YM
J 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。
F
=*4]O
5|r*,!CF .9Cy<z 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。
Y+),c14# 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)
- >?tB1}^ g yV>k=B file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
V'>P lb.A rp"5176
光束质量优化 jTg~]PQ^ uD?G\"L
i oj{CNa 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。
479X5Cl 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)。
#C. ,W[J@4. 结果:光束质量优化 )qMbk7:v\ {irc~||4 } LC 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。
'nM4t ?ZGsh7<k
]&P\|b1*g bW!
&n 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。)
(p12=EB< :] U\{;q2
0,m]W) file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
^dk$6%0 J]Z~.f=" 反射镜方向的蒙特卡洛公差 U+>M@!= O<V 4j, 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。
>"=DN5w
,S 8TAJ#Lm [PUu9rz# 这意味着参数变化是的正态
#O;JV}y \5! 7zPc
o<3$|`S& ILAn2W #z%D d{E 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。
N%Ta.`r 这意味着,波前对对齐误差很敏感。
q! 'p ihwJBN>(
4c(Em+4 A&Aj!# file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
P33xt~ P[G>uA>Z1 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)
p$|7T31 * @>VVB{1@,]
>O24#!9XW ]7K2S{/o{ 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。
9-{=m+|b <nqv)g"u0 总结 KfBT'6t (oX!D(OI 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
M:}u| 1.模拟 2 HQ3G~U 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
aif;h!
?y 2.研究 qT(6T P 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。
h,m 90Hd+ 3.优化 -c0ypz 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。
hF0,{v 4.分析 fM"*;LN!N 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
77)WNL/
x 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。
+Z|3[#W /IRXk[ 参考文献 W!? h2[ [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).
NvJ5[W \z0HHCn'" 进一步阅读 S=mqxIo@m |0=UZK7%O 进一步阅读 1\&j)3mC 获得入门视频
m:?"|.] - 介绍光路图
kc^,V|Nbq6 - 介绍参数运行
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