光束传输
系统(BDS.0005 v1.0)
TA#pA(k 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
yK_$d0ZGE~ [DtMT6F3 ;9Wimf]G,E 简述案例
J10&iCr{r* 8CvNcO;H0 系统详情
t0^)Q$
光源 QlH[_Pi - 强象散VIS激光二极管
,wyEo>>4) 元件
\vW'\} - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜)
c/(Dg$DbX - 具有高斯振幅调制的光阑
I}]UQ4XJ 探测器
zYftgH_o -
光线可视化(3D显示)
i+I1h= - 波前差探测
J DOs.w - 场分布和相位计算
=#&+w[4?&. - 光束
参数(M2值,发散角)
9.6ni1a' 模拟/设计
B!)Tytm9u - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算
w.=rea~ - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing):
,z+n@sUR: 分析和
优化整形光束质量
1{qG?1<zZ6 元件方向的蒙特卡洛公差分析
m*KI'~#$% &nY#GHB 系统说明
+.*=Fn22 =:H EF;!
b.)jJLWv@ 模拟和设计结果
Jl$
X3wE 5R1?jlm
~cfvL*~5 场(强度)分布 优化后
数值探测器结果
xi)M8\K 5mm&l+N)
#aKUD
Nfmr5MU_ (/i|3 P 总结
(>*L-&- UGoB7TEfn 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
r[2*K 9 1.模拟
g}*p(Tp9: 使用光线追迹验证反射光束整形装置。
^<j
=.E 2.评估
&NI\<C7_Gw 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。
zN\C 3.优化
:y_]JL;w 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。
Lu4>C 2{ 4.分析
6ywOL'OBM 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。
X*&Thmee ]qEg5:yY 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。
Q>L. bj?=\u 详述案例
hF5(1s}e$ /9?yw! 系统参数
(!9+QXb' _k(&<1i 案例的内容和目标
SPtx_+ Q)S I(Vg 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。
?&VKZSo
_93:_L
"@Qg]#]JH 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。
jQ-2SA O 之后,研究并优化整形光束的质量。
*\`<=,H6< 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。
h)z2#qfc ,!P}Y[| 模拟任务:反射光束整形设置
b]N&4t 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。
Qp>Z&LvC5 2M+*VO
?Q"1zcX a o@CPB6N
Iq
0ew X-psao0tI` 规格:像散激光光束
6<f(Zv? I 9d!mGnl 由激光二极管发出的强像散高斯光束
Xu|2@?l9 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动
S[N9/2 Epm8S}6K
!mUO/6Q hq y43ha
4Ofkagg C3(h j 规格:柱形抛物面反射镜
\(r$f!` .s KfwcYu4 有抛物面曲率的圆柱镜
r^ABu_u(`I 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面
S7~HBgS< 曲率半径等于
焦距的两倍
6r`Xi& Xx\,<8Xn al7D3J 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型)
eK}GBBdO ?MS!t6 对称抛物面镜区域用于光束的准直
K@a#^lmd 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型)
3{|]@ L 离轴角决定了截切区域
@7{.err! _7dp(R 规格:参数概述(12° x 46°光束)
> iYdr/^a ^$[iLX
8i)9ho< js%n]$N 光束整形装置的光路图
)mjGHq2 [\&2&
{@k
, e 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。
@ 'U`a4 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。
Qraa0]56 Np/vPaAk 反射光束整形系统的3D视图
F@zTz54t SIc~cZ!Yu
,qNbo
11 d ,.=9
光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。
t]?{"O1rC 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。
d]N_<@tx9 XWq"_$&LF 详述案例
U]g9t<jD n^*,JL9@ 模拟和结果
{CNJlr@z O2"V'( 结果:3D系统光线扫描分析
[a?bv7Kz 首先,应用光线追迹研究光通过
光学系统。
ngI+afo
使用光线追迹系统分析仪进行分析。
y9w,Su2 >qmNT/ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
14*6+~38m&
eC L_c>3! 使用参数耦合来设置系统
PWkSl ( GoPXh 自由参数:
]'$:Y 反射镜1后y方向的光束半径
-)R
=p"-w 反射镜2后的光束半径
15yiDI
o 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量)
.tQ(q=# 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。
'yV*eG?^& 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。
/XU=l0u Kf_xKW)^
0)ZLdF_6 16 \)C/*
2 )3oX kE|x'(x 自由参数:
p1(" 反射镜1后y方向的光束半径
_x^rHADp 反射镜2后的光束半径
G;EJ\J6@Yw 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量)
3i'01z 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。
'f.k'2T PsD)]V9%: 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。
uZ'Z-!=CL g,W34*7=Q Mc!LC
.8 结果:使用GFT+进行光束整形
5UG9&:zu'V q8FpJ\
rBy0hGx 8Op^6rX4 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
xtKU;+# t1yOAbI 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。
0Ub'=`]5a oe0YxSauL 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。
b?qV~Dgk` [-\U)>MY(p 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差:
,np|KoG|M (:?bQA'Td
USHQwn)% \sfc!5G file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
dQ9W40g1 {9.UeVz 结果:评估光束参数
o4Cq /K h.KgHMV` 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。
&m
GU 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。
+
#E?)
K<`W>2" )+=Kh$VbS 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。
,2+d+Zuh M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的)
#g0N/ 11kyrv file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
e6
x#4YH !H{>c@i 光束质量优化
O:pg+o& DT)][V^w 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。
k;2.g$)W[c 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)。
=&qH%S6 '
i<4;=M& 结果:光束质量优化
>goHQ30: 8oXp8CC 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。
.Dl ?a>I qu dY9_
r|jM; ZGsd cnz 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。)
V2M4g "5O>egt
O8_!!Qd file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
qSG0TWD!pq z,7;+6*=L 反射镜方向的蒙特卡洛公差
U{LS_VI~ Sy4|JM-5 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。
zUZET'Bm9 Kg2Du'WQ^ 这意味着参数变化是的正态
QjG/H0*mP F4WX$;1
9y;}B
y
.=t:Uy 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。
)T^wc: 这意味着,波前对对齐误差很敏感。
_z{9V7n4 d;wq@e
<eS/-W%n6 (_>SuQK file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
J:>o\%sF 8>6<GdGL<n 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)
:yJ([ XM*5I4V
D1 v0`od' !6RDq` 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。
NCG;`B`i ^B}m~qT 总结
qQG? k~r ag47 $9( 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
t8h*SHD9 1.模拟
C58o="L3S 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
nXoDI1<[ 2.研究
/V/NL#(R 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。
.74C~{}$ 3.优化
a|oh Ad 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。
.r6x9t 4.分析
Lw_|o[I} 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
]H}2|~c 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。
I^ ![)# FC &Mudu/KTr 参考文献
SlR//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).
*.k*JsU~B r~f;g9I 进一步阅读
PQSmBTs. ~M} K]Li 进一步阅读
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at@tS>Dv - 介绍光路图
nQ+5jGP1 - 介绍参数运行
j=M%*`@ 关于案例的文档
<4vCx - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
Q*PcO \Y!y - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens
}8aqSD<: - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
7kE+9HmfMk - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair