光束传输系统(BDS.0005 v1.0) \-XQo
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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 W(^R-&av
A*;I}F
V)[ta`9 :~K c"Pg
简述案例 F` /mcyf 4bV&U= 系统详情 blbL49; 光源 BCH{0w^D - 强象散VIS激光二极管 #\15,!*a= 元件 FW](GWp`: - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) +;Yd<~!c Z - 具有高斯振幅调制的光阑 L9,;zkgo 探测器 YVcFCl - 光线可视化(3D显示) -0W s3 - 波前差探测 xq#YBi, - 场分布和相位计算 N~c Y ~a - 光束参数(M2值,发散角) 5u(,g1s}UZ 模拟/设计
58S >B' - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 )Sz2D[@n - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): f{s}[p~ 分析和优化整形光束质量 l/(|rl#6 元件方向的蒙特卡洛公差分析 +M@,CbqD !bf8
r 系统说明 ;ps0wswX x4b.^5"`:
qnFi./ 模拟和设计结果 lB7 V4 K) e;*D
8GGC)2 场(强度)分布 优化后
数值探测器结果 /z'fFl^6O
IP#w
CN7
2 E
hFLD2< fdU`+[_ 总结 :`Nh}Ka0
Bo)N<S_=^ 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 S6Er#)k 1.模拟 ;|C[.0;kgv 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 s{QS2G$5 2.评估 %Z:07|57I[ 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ?^y!}( 3.优化 V:<NQd 利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 } "QV{W 4.分析 G54,`uz2 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 >gj%q$@ K<BS%~,I 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。 o@o0V @ V_@r@A 详述案例 0!Zp4>l\Z
U};~ff+ 系统参数 2 q4dCbJ! #$W bYL| 案例的内容和目标 qD#E, "%
#b^x! lR 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 rM|] }M=_V 5eP0W#
P#gY-k&Nr 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 \J)ffEKIp 之后,研究并优化整形光束的质量。 8w 2$H 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ZUkrJ' 4u!<3-3Zy 模拟任务:反射光束整形设置 F9N/_H*+ 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。 QTy xx
W*S!}ZT`
.aA8'/ ?PpGBm2f*
Oo)MxYPU =|Q7k +b 规格:像散激光光束 *>=|"ff :!fP~(R'm 由激光二极管发出的强像散高斯光束 'N7AVj 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 G!%Cc0d"7
(toN??r
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l^LYSZg'R8
{9/ayG[98 Z'u:Em
规格:柱形抛物面反射镜 H@j
D% +"~~;J$ 有抛物面曲率的圆柱镜 2c%*u {=: 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 y*f5_ 曲率半径等于焦距的两倍 |afzW=8' ZRD@8'1p r@|{m QOxa 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) yjq~O~ N:_U2[V^d 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ~9tPT0^+ 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) u lqh}Uv' 离轴角决定了截切区域 9rd7l6$R" D09/(%4j 规格:参数概述(12° x 46°光束) #]vy`rv dx<KZR$!V
H&yK{0H & rsNB:! 光束整形装置的光路图 ]jkaOj EYLqg`2A
qYwEPGa\ 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 m4 :| 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。 0/vmj,&B( C}7c:4c 反射光束整形系统的3D视图 xUKn
B\tP{}P8{
gGtl*9a= 0Ud.u 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 RKt#2%FFO 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)。 Cq<a|t F5Xj}`}bq 详述案例 N'!: App9um3: 模拟和结果 2v;F@fUB. U|NVDuo{{x 结果:3D系统光线扫描分析 `<3/k 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 a$~pAy5C 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 NDmTxW#g 4dd] Ju file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd l<89[{9o 3~r>G 使用参数耦合来设置系统 AW XBk+
C
`>1x`n
\?|FB~.Ry
自由参数: 7M#irCX
反射镜1后y方向的光束半径 7FTf8
反射镜2后的光束半径 @5C!`:f
视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) [5iBXOmpS=
由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 YyF=u~l
对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 AwC"c '
{FrcpcrQa
DO^K8~]
V"r2 t9A
?FRuuAS
&F!Ct(c99
-/7[\S 自由参数: L
PDx3MS 反射镜1后y方向的光束半径 zj+.MG04 反射镜2后的光束半径 1
po.Cmx 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) fBi6%
#
基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 -k+}w_<Q Q.$|TbVfds nKO4o8js{{ 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。
-D4"uoN. :d!qZFln soTmKqj E 结果:使用GFT+进行光束整形 lo!.%PP|
RAh4#8]
N1vPY]8 T08SGB] v{T%`WuPRf 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
FthrI &.ilku/ ZliJc7lss 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。
J'=iEI Ei
Yj `P 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。
9 :ubPqt Q ,`:RF3 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差:
KH~o0 W j-R9=vB2
p:/#nmC< T|L_+(M{ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
3 utv 6N<v&7cSB 结果:评估光束参数 YIc|0[ ]*| ]8c%)%Vi I_k!'zR[N 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。
Vp.&X 8 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。
y-/,,,r
0<n*8t?A- PE\.J U 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。
uDWxIP,m 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)
/M3UK U=G}@Y file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
.C=I~Z ]((Ix,ggP 光束质量优化 xeGl}q| dP7nR1GS 43HZ)3!me 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。
\uUd * 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)。
VxKD>:3c 0&@pD`K e 结果:光束质量优化 ?:
XY3!{ XS&oW w9W0j 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。
W7
.Y`u[ |_A DG
f0h^ULd v[*&@aW0n 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。)
p[J 8
r{' XeJ|Z)qZ
;G=:>m~ file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
L4x08 e c'XvZNf .C 反射镜方向的蒙特卡洛公差 -<jd/ 5 ~dm/U7B: 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。
uHNh|ew21 l"ZfgJ}W ,o{|W9 这意味着参数变化是的正态
D#pZN,' r@.3.Q
|
WN9& yE6EoC^ B/n/bi8T 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。
?;c&5'7ct 这意味着,波前对对齐误差很敏感。
]JUb;B;Z jr=>L:
iax6o+OG| YM(`E9{h file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
KXS{@/"-B l|Z<pD 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)
j0]|$p ^-|yF2>`
VZRM=;V \`MX\OR 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。
-y+u0,=p. i,h) 总结 aV6l"A] uQYBq)p| 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
.0eHP 1.模拟 )}KQtkU8: 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
)RFE<
Qcj 2.研究 !6 k{]v 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。
{Y p;R 3.优化 |}O9'fyU8 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。
Hh<3k- *d 4.分析 DKzP)!B " 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
#;#r4sJwU 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。
Kr*s]O pH'1be{K 参考文献 'h:[[D%H` [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).
u40k9vh sY#iGEf 进一步阅读 4=T>Iy G]T A7~VT 进一步阅读 vcsMU|GGh 获得入门视频
>~% _U+6 - 介绍光路图
n5yPUJK2L6 - 介绍参数运行
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