光束传输系统(BDS.0005 v1.0) E7*z.3
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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 ;zbF~5e
[P*w$Hn
6
s+ Z L'>t:^QTh
简述案例 `B^HW8 54A ndyeA 系统详情 Ff\U]g 光源 aXSTA,% - 强象散VIS激光二极管 kdWk{ZT^ 元件 9J$z/j;X - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) U
=()T}b> - 具有高斯振幅调制的光阑 0CYm%p8! 探测器 E+ 65 - 光线可视化(3D显示) p^LUyLG` - 波前差探测 Jk.Ec)w - 场分布和相位计算 L;},1
\ - 光束参数(M2值,发散角) w:}RS.AK 模拟/设计 d45JT?qg& - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 <3!jra,h - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): >,8DwNuq 分析和优化整形光束质量 Ef;OrE"" 元件方向的蒙特卡洛公差分析 |7jUf$Q\p 7[l
"= 系统说明 kCRP?sj nl 7=Nhh
>Ic)RPO9 模拟和设计结果 p& > z=Z* N[~"X**x
&}1PH%6 场(强度)分布 优化后
数值探测器结果 PZQb.QAn
\h%/Cp+p
O; qerE?i`
B_k[N}|zD K"cN`Kj<*- 总结 J`ia6fy.I
A22h+8yG 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ( _ZOUMe 1.模拟 rZDmZm?= 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 Ld[zOx 2.评估 )w8h2=l 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 r@3VN~ 3.优化 `N~;X~XFk 利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 7W[}7Y 4.分析 'm@0[i 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 :N~1fvx p;dH[NW 对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 fPs'A ZJ} V>Bu- 详述案例 (Ck|RojC
@<ba+z>"~4 系统参数 r* K[, F/\w4T 案例的内容和目标 z?HP%g'M~
M@rknq@ 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 ]q0mo1-EZ! [N}:Di,S
5MH\Gqe7 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 !3{>
F" 之后,研究并优化整形光束的质量。 QvK-3w;= 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 %aU4d
e^ /jQW4eW0 模拟任务:反射光束整形设置 W6t"n_%?" 引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 Kb~s'cTxIO
)+c4n]
hL#5:~( CPVR
GZ#6}/;b oagxTFh8~ 规格:像散激光光束 /sf:.TpVh j4L )D 由激光二极管发出的强像散高斯光束 HTK79
+ 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ?b0 VB
Kd8V,teH
j?ihUNY!+
C2;qSKG3{m
"q(#,,_ *ktM<N58
规格:柱形抛物面反射镜 V-U,3=C .%7#o 有抛物面曲率的圆柱镜 )cnB>Qul 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 Z
55iq 曲率半径等于焦距的两倍 [vkz<sL" >s}bq#x ;aKdRhDo 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) F
i?2sa *R.Q!Lv+ 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ]%jlaXb 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) 7u]0dHj 离轴角决定了截切区域 8;YeEW5 Be+CV">2 规格:参数概述(12° x 46°光束) %"~\Pu*> U7d%*g
DTrS9j?z TQDb\d8,f 光束整形装置的光路图 :1"{0gm ZcgSVMqEX
R9Wh/@J] 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 hc}dS$=C 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。 6k"'3AKaR d?(#NP#; 反射光束整形系统的3D视图 S8mqz.
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dg/OjiD[P qepsR/0M 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 [@Y<:6 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)。 K*Y.mM) n.]K"$230 详述案例 `An`"$z B`)o?GcVN 模拟和结果 /%Lj$]S7[4 Z.+-MN WV 结果:3D系统光线扫描分析 WmTSxneo 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 dxbP'2~ 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 -M}#-qwf u"r~5 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd \D(6t!Ox PLR[nB7K 使用参数耦合来设置系统 Z- ;<R$
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自由参数: tbD>A6&VM}
反射镜1后y方向的光束半径 VH7VJ [
反射镜2后的光束半径 yS0YWqv]6@
视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) (yWU9q)5
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。 tjc3;9
对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 %7 h_D
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!K^.r_0H.
f3Ior.n(
TB9{e!4
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.VciSq6 自由参数: 22S4q`j 反射镜1后y方向的光束半径 }z6@Z#%q 反射镜2后的光束半径 ^l|{*oj2 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) H%NIdgo} 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。 @s RRcP~ [YG\a5QK $}&Y$w>S 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。
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x1y#Q B9pro%R1Bo ,2T&33m
结果:使用GFT+进行光束整形 lR[[]Yn q15t7-Z6
)8vz4e Y fH?e9E4l aP^,@RrL 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
Sc'z vlq xrDHXqH c'n EbelE 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。
-b+VzVJZ _MQ) 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。
NNSHA'F,.\ j\&
` 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差:
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p`:hY`P h^R EBPe file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
9}4P%>_ ]w z`j1 结果:评估光束参数 +-YMW;5 :U_k*9z}= N9hs<b+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。
!gA<9h 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。
RGFanP
;0DTf 0dxEV] 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。
Q qGf* 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)
a@:(L"Or pEgQ)
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file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
21'I-j L+,p#w 光束质量优化 [4L[.N@ _/Ky;p. `|?K4<5| 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。
ax$ashFO/! 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)。
$SAq/VHI1] 9IJBK 结果:光束质量优化 <[mT*
AjBwj5K 2F9Gx;}t5= 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。
-|;{/ s5 q5C(/@)^
|Iei!jm ~I[Z2&I 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。)
q6DuLFatc* d-/{@
iAD'MB file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
D2N| A u^.7zL+ 反射镜方向的蒙特卡洛公差 iUDN m|e |a9d]^ 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。
j}9][Fm1* $yxwB/ O( }e$^v*16 这意味着参数变化是的正态
tt5t(+5j ipzv]c&
Y'-@O"pK JSz;>
8@;|x2=y 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。
)CgKZ" 这意味着,波前对对齐误差很敏感。
Y%<y`]I %oPW`r
y!_*CYZ~m zT$-% file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
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Dq{h 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)
{A!1s; l~
3 H"
r'bctFsD $sF'Sr{)y 由于波前差和因此校准的偏差更大,M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。
ogD 8qrZ6J pJ8;7u 总结 B=dF\.&Z TA;r 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
',Y`XP"Q 1.模拟 ^a+W! 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
NTq#'O) f 2.研究 x=-dv8N? 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。
R1'tW= 3.优化 vh+ '
W 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。
{ #?$p i[ 4.分析 a'zXLlXgGd 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
*xHj* 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。
$z1W0 O*qSc^ 9q 参考文献 m@(8-_ [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).
$MW-c*5a Buxn!s 进一步阅读 0
0JH*I W=QT-4 进一步阅读 kT7x
!7C 获得入门视频
tj ONN(K` - 介绍光路图
S"-q*!AhK - 介绍参数运行
op!ft/Yyb 关于案例的文档
jV W .=FK - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
0EWov~Y? - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens
o 8fB - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
R\i8O^[ - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair