光束传输系统(BDS.0005 v1.0) JEfhr
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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 Cyud)BZvm
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z<g }dSFv
简述案例 {X W>3 " z.W1Za 系统详情 tfv@
)9 光源 (JiEV3GH - 强象散VIS激光二极管 we?t/YB= 元件 M+4S >Sjw - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) >Lz2zlZI - 具有高斯振幅调制的光阑 HPK}Z|Vl 探测器 '=IuwCB|; - 光线可视化(3D显示) ^fM=|.? - 波前差探测 )' 2vUt`_7 - 场分布和相位计算 ?#__# - 光束参数(M2值,发散角) }J=z O8OL 模拟/设计 7.C]ZcU - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 K$M,d-
`b - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): T{T> S%17~ 分析和优化整形光束质量 &HJ~\6r\ 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ,7e 2M@=
*oIKddZh 系统说明 #elaz8 5 87nsWBe *kDV ^RBfq 模拟和设计结果 :wJ!rn,4 &J=x[{R 98WJ"f_ # 场(强度)分布 优化后
数值探测器结果 UKSI"/8I
n6*;
~h5
g:"Hg-s
? oGmGKq %$!EjyH9 总结 c{f1_qXN
(yz8}L3 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 `RE1q)o}8M 1.模拟 .T*7nw 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 \y/+H 2.评估 t{/
EN)J 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 J15$P8J 3.优化 $E@ke: 利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 to 3i!b 4.分析 PiIILX{DuH 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 4>@-1nt} Mq,_DQ 对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 >l5JwwG
]cI(||x 详述案例 ZZ6F0FLXJ
d>7bwG+k 系统参数 AwL;-|X sfNAGez 案例的内容和目标 jfrUOl'l
2!Ex55 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 O~&l.>?? *'(dcy9 w@2LFDp 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ihhnB 之后,研究并优化整形光束的质量。 :ui1]its4 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 `24:Eg6r #$%gs] 模拟任务:反射光束整形设置 P.1iuZ "w 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。 7f
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c5rQkDW _E[{7"3} $RSVN? Onoi6^G o[ %Q&u 规格:像散激光光束 XsHl%o8,z 7+u%]D! 由激光二极管发出的强像散高斯光束 Y<.F/iaH 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 c#;LH5KI
BmUzsfD 4/U]7Y
Q<``}:y|>
|@-WC. 7"JU)@ U]
规格:柱形抛物面反射镜 Fk(0q/b [%nG_np 有抛物面曲率的圆柱镜 =-pss 47 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 qkUr5^1 曲率半径等于焦距的两倍 aLXA9? qc'tK6=jp KwQO,($,] 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) ?3z+|;t6C D&9j$#9Rh 对称抛物面镜区域用于光束的准直 W\<#`0tUt 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) D+o.9I/{ 离轴角决定了截切区域 JkxS1 =\%>O7c,8Y 规格:参数概述(12° x 46°光束) _@prv7e Nyqm0C6m^ ZJ[ Uz_%W A# M 光束整形装置的光路图 1v\-jM" .DvAX(2v V!U[N.&$ 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 >;3c;nf 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。 N[+dX_h Z|?XQ-R5 反射光束整形系统的3D视图 ia_8$>xW+
,m b3H
-% fDfjP 49zp@a 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 +li^0+3-' 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 -5ec8m8 "&+0jfLY+ 详述案例 TQ2Tt" 99:L#0!.W 模拟和结果 QF>[cdl?8 t@HE.h 结果:3D系统光线扫描分析 v/haUPWF\ 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 3 z#;0n} 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 Mk9kGP% t2SZ]|C file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd uU\iji\ ?3Fo:Z`@F 使用参数耦合来设置系统 5,((JxX$
H5I#/j
I.<#t(io
自由参数: 5y'Yosy:
反射镜1后y方向的光束半径 n{yjH*\Z
反射镜2后的光束半径 M:SxAo-D2
视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) O9y Q9sl
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。 VV4_
对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 D_)vGvv3;.
uR%H"f }00e@a
,i,=LGn
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)AoFd>
m&%b;%,J 自由参数: L' pZ 反射镜1后y方向的光束半径 wg1pt1 ` 反射镜2后的光束半径 mC7Y * 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) HW G~m:km 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。 I{PN6bn{> RVsN r
rZ /fq6-;co+ 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。
?:nZv<
x -CrZ'k;4 g3XAs@ 结果:使用GFT+进行光束整形 ezvaAhd{ w3Ohm7N[ "p{'984r< Em;b,x*U -DnK)u\@ 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
$(R)
=4 iFA"m;$ QA(,K}z~^S 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。
J4g;~#_19 w0!,1
Ry 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。
S\ZAcz4 SA1/U 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差:
,no:6 =R.9"7~2x JY+[ DV\ei") file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
eLny-.i,7 2&fwr>!$ 结果:评估光束参数 tl5IwrF6; 7]j-zv h$k3MhYDes 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。
7nz+n# 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。
J#DcT@ v`BG1&/| H|U/tU- 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。
)X;cS}
yp M²值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M²值是由光束偏离引起的)
<\g&%c, l%(`<a]VIB file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
t`,IW{ -<!17jy 光束质量优化 !nq\x8nU it@} dZ >}{-! 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。
}>~>5jc/Pg 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
5]l7Z35 O + &
xb 结果:光束质量优化 J*!:ar tC:,!4 P$ PX2k,% 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。
dJ:x1j Bq]O &>\hX ;Ph )BY< 4E\ntufo 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。)
6QXQ<ah" m`IQ+,e ~hslLUE file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
v-fi9$#^ K]!u@I* K" 反射镜方向的蒙特卡洛公差 l\;mP.! Q@wq
}vc! 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。
kdh9ftm*\ [Cqqjv;_ -wQ^oOJ 这意味着参数变化是的正态
#S%Y;ilq `uZv9I" a@y5JxFAy YOV4)P" C'czXZtn 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。
=l4\4td9p 这意味着,波前对对齐误差很敏感。
ioNa~F& xY'qm8V ,&&M|,NQ&s >2CusT 2 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
A1QI4.K QrckTO 第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ)
cYM~IA RC{Z)M{~ aZjef k5t^s 由于波前差和因此校准的偏差更大,M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。
04guud } XyM(@6,' 总结 ,0uo&/Y4L L>Oy7w)Y 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
"Z 2Tc) 1.模拟 \q|7,S,5 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
8| e$ 2.研究 xR|eye R 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。
Wda\a.bXT 3.优化 0L0Jc,(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。
]\RSHz 4.分析 AX!>l; 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
kV\-%:- 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。
G?-`>N-u df>kEvU5.^ 参考文献 `[@^m5?b- [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).
PG6L]o^ jemxky 进一步阅读 ] `B,L*m6 S*CLt 进一步阅读 6c2ThtL 获得入门视频
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Tw',N{ - 介绍光路图
tCbr<Ug - 介绍参数运行
I[=Wmxa?r 关于案例的文档
/~Zc}o,J - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
(3ZvXpzvF - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens
hg&w=l - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
]^; b - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair