光束传输系统(BDS.0005 v1.0) g.B%#bfg
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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 7BL|x
gk!E$NyE
v229H< jOUK]>ox:
简述案例 eu#,WwlG
0dgP 系统详情 kzZDtI) 光源 KQG-2oW - 强象散VIS激光二极管 @s_3 0+ 元件 G'ij?^? - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) w)+wj[6
E - 具有高斯振幅调制的光阑 yfmp$GO: 探测器 E,{GU - 光线可视化(3D显示) z%(Fo2)^ - 波前差探测 2v0!` &?M{ - 场分布和相位计算 si_W:mLF{a - 光束参数(M2值,发散角) $4Z+F#mx 模拟/设计 BjJ,"sT - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 2O
eshkE - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): WtEI] WO 分析和优化整形光束质量 ?b||Cr 元件方向的蒙特卡洛公差分析 rRB~=J" ~9Zh,p; 系统说明 QX[Djz0H8 ^_v[QV
q[7CPE0n 模拟和设计结果 \)ip>{WG
qE )Y}oN
bS>R5*Zp 场(强度)分布 优化后
数值探测器结果 8wr8:(Y$
\ht ?Gn
S]}}A
b"I~_CL| B[r<m J 总结 ,V,f2W 4
.*BA 1sjE 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ?hnx/z+uT 1.模拟 eP "`,< 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 3y99O
$EAc 2.评估 m6^ 5S 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 iOX Z]Xj5 3.优化 *h$&0w
y 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。 (S`6Q 4.分析 ?WQNIX4 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ~.J,A\F *i^`Dw^~y 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。 SxJ$b Z7fg
25 详述案例 sYJL-2JX
;f:gX`"\ 系统参数 `H\)e%] &iNwvA%9D 案例的内容和目标 > !L&>OOx
CK0l9#g 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 .wmnnvtl, K/txD20
O|
[ $pmPr2 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ciudRK63M 之后,研究并优化整形光束的质量。 |~WYEh 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 t6+YXjXK !^e =P%S 模拟任务:反射光束整形设置 Ytao"R/ 引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 44\cI]!{
/.Fj.6U5
v!9i"@<! F30
]
3uV4/%U d H?
ScXM= 规格:像散激光光束 T dk
,&8 %y&]'A 由激光二极管发出的强像散高斯光束 1svi8wh 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ib$nc2BPb
{hQ6K)s
wG1l+^p
er2cQS7R
06 i;T~Y \}5p0.=
规格:柱形抛物面反射镜 =wG+Ao 7AwgJb hn 有抛物面曲率的圆柱镜 )}MHx`KT2 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ('C7=u&F 曲率半径等于焦距的两倍 oFDz;6 kkS~4?-* A(8n 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) 8 TiG3 #aar9 对称抛物面镜区域用于光束的准直 I7n3xN&4" 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) @?kM'*mrZM 离轴角决定了截切区域 9MY7a=5E~ LOvHkk@+ 规格:参数概述(12° x 46°光束) kL>d"w ?kTWpXx"=
CSTI?A"P At6qtoPRA 光束整形装置的光路图 a.@qGsIH `_vB+a
ua5?(,E`'] 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。
?wb+L 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。 id^sr
Mw +GF#?X0^ 反射光束整形系统的3D视图 Sv'y e
I.'b'-^
-%CoWcGP 1L nyWZ 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 @U{<a# 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)。 ({^9<Us ::5E 8919 详述案例 r?/A?DMe G:W>I=^DaR 模拟和结果 crcA\lJf L';MP^ 结果:3D系统光线扫描分析 c{+A J8 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 ? "/ fPV- 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 kc `V4b% l_rn++ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd N|g;W *?ITns W< 使用参数耦合来设置系统 nmU_N:Y
a:,y
Z
I6!5Yj]O"
自由参数: bx4'en#
反射镜1后y方向的光束半径 ~ PWSo%W8
反射镜2后的光束半径 ^Xb7[+I6
视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) [,RI-#n
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。 (-77[+2
对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 #H?t!DU
#]?bLm<!
G!N{NCq
B/JO~;{
{6 6sB{P
X~=xXN.
-|k)tvAm 自由参数: X?:o;wB 反射镜1后y方向的光束半径 fWc|gq 反射镜2后的光束半径 #1 1NPo9 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 2&'|Eqk 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。 2T@GA1G ._w8J"E5 u]-_<YZ'B 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。
7;@ST`cC g"s$}5{8: TGXa,A{ 结果:使用GFT+进行光束整形 {GDmVWG0q )n49lr6X
0P^L }VVX %J:SO_6 ,;?S\V 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
DS-0gVYeDW S{4z?Ri, ' 0~wF3BgV 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。
/={Js* 7]xm2CHx5 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。
HoV^Y6 &cWjEx 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差:
/-bF$)vN 4(}J.-B
W?yd#j ^-mRP\5 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
ah
@uUHB a?|vQ*W 结果:评估光束参数 Gb[`R}^dq Pq*s{ 09A
X-JP 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。
ETp%s{8 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。
21s4MagC
Sxdsv9w `Y-|H;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。
!US d9 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)
du$|lxC )jWOP,| file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
.=m,hu~ *k"|i*{ 光束质量优化 lis/`B\x H&r,FmI@ j!7`] 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。
(~zd6C1. 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
&g2 Eptx# `V)Z)uN{0 结果:光束质量优化 0 a]/%y3V 9/+Nj / o6f_l^+H 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M²值在两个方向上几乎都是1。
k = ?h~n0M E?(xb B
dKl^jsd + OV')oE 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。)
OD']: sr@j$G#uW5
%m:m}ziLQ file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
G'YH6x, .2J
L$" 反射镜方向的蒙特卡洛公差
eEhr140 XLMb=T~S 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。
#:T-hRu .NtbL./=| M#|dIbns
H 这意味着参数变化是的正态
cA6lge<{~ L4uFNM]
Sq:0w cRX~z 5[j`6l 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。
NrP0Ep%V 这意味着,波前对对齐误差很敏感。
d #jK=:eK 3\T2?w9u(
7d92Pe ''\;z<v file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
~4q5
k5., NEa>\K<\ 第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ)
9&RFO$WH (E]!Z vE
Kscd}f)yx? wP,JjPUt 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。
s,a}?W Be+0NXLVy 总结 sB69R:U; OFje+S 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
=@F&o4) r 1.模拟 e.c3nKXZ q 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
Zo>]rKeV 2.研究 pLv$\MiZ 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。
p&VU0[LIC0 3.优化 AyMd:5; 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。
QRLt9L 4.分析 9'hv%A:\3 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
bI|2@HV2 可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。
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6K 参考文献 t43)F9! [1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007).
r,_?F7 %'0TXr$ 进一步阅读 Pz$R(TV a1Qv@p^._b 进一步阅读 MQin"\ 获得入门视频
C*nB - 介绍光路图
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