光束传输系统(BDS.0005 v1.0) g*\u8fpRq
Y&`Vs(
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 +SkD/"5ng
gE(QVbh(
{4ON2{8;4 G+AD
&EHV
简述案例 o\h[K<^>) ja70w:ja 系统详情 d|]F^DDuI 光源 r Y|'<$wvg - 强象散VIS激光二极管 #*#4vMk< 元件 8dq{.B? - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) D|9C|q - 具有高斯振幅调制的光阑 o %A4wEye 探测器 u-Ct-0 - 光线可视化(3D显示) :1eI"])( - 波前差探测 `rW{zQYM - 场分布和相位计算 P1=bbMk - 光束参数(M2值,发散角) oP5G*AFUq 模拟/设计 Df02#493 - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 QkZT%!7 - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): ##BMh! 分析和优化整形光束质量 j{>E.F2. 元件方向的蒙特卡洛公差分析 g$kK)z ;SeDxyKG 系统说明 &1893#V )QaI{ z _)p@;vGV 模拟和设计结果 I(P|`" W!.UMmw` $$<9tqA 场(强度)分布 优化后
数值探测器结果 R}Uvi9?
PV(bJ7&R
uf\Hh -+p
QE)I7( @5\OM#WT~& 总结 Q{b Z D*
B~- VGT2o 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 "w=p@/C 1.模拟 NS-u,5Jt 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ~xGWL%og 2.评估 EK_NN<So# 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 G%;XJsFGp 3.优化 X|L.fB= 利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 X&MO} 4.分析 g$ZgR)q 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ^=bJ
_' HGfYL')Z 对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 k^z)Vu|f. ] $$ciFM 详述案例 Df||#u=n
)"|'= 系统参数 x`{ni6} K:z|1V 案例的内容和目标 G~a;q+7v'$
Sq/M
%z5' 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 u3Z*hs)Z% ;H_yNrwA kR7IZo"q 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 .sAcnf" 之后,研究并优化整形光束的质量。 Zg5@l3w 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。
'`T.K< >wej1#\3 模拟任务:反射光束整形设置 ?(*KQ#d 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。 ^USj9HTK
5aL0N ;T/W7=4CZ |iLeOztuE {G&K_~Vj g % q7 规格:像散激光光束 S"CsY2; 7SoxsT) 由激光二极管发出的强像散高斯光束 !ceuljd] 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 9Vxsv*OR,
xVuGeanCv jeN_
sm81b
%((F}9_6
!\JG]2 \ S-gL]r3G8
规格:柱形抛物面反射镜 l@q.4hT .ZxSJ"Rk 有抛物面曲率的圆柱镜 #?}k0Y 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ']u w,b 曲率半径等于焦距的两倍 7F4$k4r< %g5weiFM (+4gq6b 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) %&c[g O!Za 4FQU$f 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Q
{3"& 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) bICi'` 离轴角决定了截切区域 _ p?lRU8 igOjlg_Q 规格:参数概述(12° x 46°光束)
0
!E* > 3xsC"c> VHM ,W]
A{: a kK 光束整形装置的光路图 {K*l,U #PVgx9T=_ -86 9$ 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 09_3`K.* 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。 |D$U{5}Mv 8n?P'iM 反射光束整形系统的3D视图 .Ig`v
U.crRrN
Fq&@dxN3 4M i*bN, 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 o83HR[ 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 6G/)q8'G 8niQG'] 详述案例 W;,UhE "#rlL^9v 模拟和结果
1mJBxg}( }{ pNasAU 结果:3D系统光线扫描分析 Um9!<G=; 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 !
D'U:) 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 hDl& K E Al$"k[-Uin file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd KB&t31aq e3F)FTG& 使用参数耦合来设置系统 |w>"oaLN|Q
y
8];MTl
)cUc}Avg}
自由参数: Z2PLm0%:
反射镜1后y方向的光束半径 bRLmJt98P
反射镜2后的光束半径 R{8nR00|1
视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) Zr;.`(>
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。 GJy><'J,!>
对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 9gn_\!Mp
lk}R#n$ ^gw_Up<e6
$$A{|4,aI
rP2^D[uM.
(vz)GrH>
W2%(a0p 自由参数: gEO#-tMjOQ 反射镜1后y方向的光束半径 3i?{E^ 反射镜2后的光束半径 6IPhy.8 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) kkyn>Wxv 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。 6%U1%; I =qd\ Z A1?' 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。
>`5iq.v Z:,HB]&;9 ;#EB0TK 结果:使用GFT+进行光束整形 8$v17 3 k:m~'r8z
6DaH+ @2CYv> \
CV(c] 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
J0d +q! ?lR)Hi &I:X[=;g 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。
MZ=U}
&F nl*{@R.q @ 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。
<rRmbFH# yeE_1C . 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差:
&^63*x;hE
0>H<6Ja M[Y|$I} /-^gK^ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
@`wBe#+\ z.e%AcX 结果:评估光束参数 +'uF3-+WY
PLFM[t/ NvJu)gI% 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。
'[qG ,^f 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。
+]I;C ;)0vxcMB X2dTV}~i 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。
7R7g$ 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)
=ub&@~E lH:TE=|4 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
nP 2 rN_:4 >^|\wy 光束质量优化 6}C4 SZ Eqp?cKrji ?tqTG2! ( 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。
x"8(j8e 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)。
cX7xG U kVkV~ 结果:光束质量优化 %j2YCV7 &m>`+uVBP &oTSff>p} 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。
AJt0l|F IJS9%m# 4)JrOe&k 4{CVBowi 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。)
\dIIZSN 0u'2f`p* =<`9T_S 16 file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
mEz&:A >AN`L`%2 反射镜方向的蒙特卡洛公差 Yi7`iC =zqOkC
h$ 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。
SQ>.P E`LML? swi| 这意味着参数变化是的正态
2~R"3c+^ d!G%n
* >W.Pg`'D pL-p fcnbPO0M 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。
72~)bu 这意味着,波前对对齐误差很敏感。
IH}?CZ@{? HxU.kcf .Ks&r :'1ePq file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
W zy8 *ubLuC+b 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)
ofcoNLX5c +;:i,`Lmg .H7"nt^ [5 a`$yaQ 由于波前差和因此校准的偏差更大,M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。
[K&O]s<Y :!g|0CF_ 总结 e#FaK^V =]-! 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
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Ew>'(Q 1.模拟 <^n9?[m* 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
;P5\EJo 2.研究 VIAj]Ul 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。
cg1 < 3.优化 Pa0tf: 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。
1i bQ'bZ 4.分析 ;`X -.45 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
aJI>qk h?] 可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。
&Vnet7LfU {YK6IgEsJe 参考文献 2}~1poyi> [1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007).
UupQ*,dJ u"X8(\pOn 进一步阅读 uDH)0# |
2p\M?@ 进一步阅读 MZv&$KG4m@ 获得入门视频
t!D=oBCro - 介绍光路图
zr8 4%_^ - 介绍参数运行
RTLu]Bry 关于案例的文档
_f^q!tP&d - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
m]7Y
)&3 - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens
UO<uG#FB - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
$AG.< - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair