光束传输
系统(BDS.0005 v1.0)
qB%?t.k7 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
"JHdF& +\@)
1 H<hFA(M 简述案例
WH@CH4WM (T0%oina 系统详情
9Z KB,
光源 y":Y$v,P - 强象散VIS激光二极管
GS!7HphR 元件
o.)8A8 - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜)
[;rty<Z^b - 具有高斯振幅调制的光阑
"`QI2{!l 探测器
Wr3).m52}P -
光线可视化(3D显示)
z2EZ0vZ - 波前差探测
y;M}I8W[ - 场分布和相位计算
>4c7r~\k - 光束
参数(M2值,发散角)
nDt1oM
H 模拟/设计
YPq4VX, - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算
\(S69@f - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing):
3bCb_Y
分析和
优化整形光束质量
m1](f[$ 元件方向的蒙特卡洛公差分析
{C% #r@6 =th(Hdk17 系统说明
J\WUBt-M A,P_|
6}Iu~|5 模拟和设计结果
"ggViIOw& (JgW")M`cY
4| 6<nk_ 场(强度)分布 优化后
数值探测器结果
3G4N0{i t[L_n m5-
%syFHUBw
PT`];C(he uQ} 0hs 总结
3 &aBU[ K GVAP 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
ucVWvXCr 1.模拟
m'L7K K-Y) 使用光线追迹验证反射光束整形装置。
?PMF]ah 2.评估
l'~~hQ{h/ 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。
u$3wdZ2&m 3.优化
U c6]]Bbc 利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。
?iX1;c9 4.分析
|=dmxfj@ 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。
H
3e(- T)!$-qdz/ 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。
yMJY6$Ct c@+ ;4Iz 详述案例
^KKU@ab9 c*5y8k 系统参数
8 |@WuD ,>: 案例的内容和目标
0v~Eu>Rg j.'Rm%@u 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。
Hy?+p{{G L\:f#b~W
fs43\m4=m 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。
v7V.,^6+ 之后,研究并优化整形光束的质量。
17itC9U 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。
qWQ7:*DL i8]2y 模拟任务:反射光束整形设置
&_DRrp0CN 引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。
Rk1B \L|M ;yc|=I^
?|&plf| \Mujx3Fmvx
w6^X*tE =:|fN3nJ2 规格:像散激光光束
@YH<Hc |k
# ~ 由激光二极管发出的强像散高斯光束
!Q`vOVSUD 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动
rvdhfM!-A S.!0~KR:U
.^?^QH3 cH5@Jam
c]pO'6] ,%|$#
g 0 规格:柱形抛物面反射镜
1j_x51p NXwlRMbo 有抛物面曲率的圆柱镜
4. &t 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面
?89ZnH2/ 曲率半径等于
焦距的两倍
?q68{!{bi Qp~W|zi( mXX9Aa> 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型)
efK)6T^p j3!]wolY 对称抛物面镜区域用于光束的准直
*ybwlLg 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型)
+2}aCoL\ 离轴角决定了截切区域
Tl.%7) )$#
Ku2X 规格:参数概述(12° x 46°光束)
DwQaj"1<% [vIHYp
K?y!zy <lx~/3<m 光束整形装置的光路图
\"E-z.wW= M5SAlj
IX|2yu4 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。
,W'?F9Y\ 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。
HxC_nh 2Z ?
N 反射光束整形系统的3D视图
}ph;~og}y VW7
?{EL7
BjT0mk"P HMUn+kk+
光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。
s}~'o!}W 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。
fP>K!@!8 =4;GIiF@ 详述案例
([-xM%BI6 Q~5!c#r 模拟和结果
W^c> (d</ nDR)UR 结果:3D系统光线扫描分析
Q(
WE.ux)< 首先,应用光线追迹研究光通过
光学系统。
+OUYQM mM 使用光线追迹系统分析仪进行分析。
HWr")%EhD !wws9 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
u1?1x %hYol89F 使用参数耦合来设置系统
TP6iSF 9s5PJj "u 自由参数:
VfJbexYT 反射镜1后y方向的光束半径
hM!D6: t 反射镜2后的光束半径
EDm,Y 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量)
sK#)wjj\^ 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。
P=)&]Pz 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。
uT5sLpA|6 ))M; .b.D
zc<C %t[~y VQ{.Ls2`Z
DR."C+ XO)|l8t#$= 自由参数:
Kvu0Av-7 反射镜1后y方向的光束半径
RH,1U3? 反射镜2后的光束半径
=[O;/~J%: 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量)
J?ljqA}i 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。
z 0;+.E! MZt~
Abt 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。
{+V1>6 rYnjQr2a 2
{lo 结果:使用GFT+进行光束整形
3>[_2}l $<)k-Cf
t^h{D \W<r`t4v 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
(
}DCy23 bg\~" 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。
S[o_$@| 5feCA ,v7 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。
c
k= * \@u,[, 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差:
`(|jm$Q ^-3R+U- S
Qt_LBJUWV c&Pgz~iP file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
,+0>p N?d4Pu1m 结果:评估光束参数
YuWsE4$ mlgw0 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。
.bh>_ W_h 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。
kLKd
O0
sjLI^#a hP4*S^l 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。
H26'8e 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)
eMf+b;~R I!y[7^R file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
*$nz<? s)q;{wz 光束质量优化
_"8\k7S* m:77pE&o 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。
2}P<}-?6 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
MtAD&+3$ F=C8U$'S 结果:光束质量优化
7Zl-| sF?N vp 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。
N@UO8'"9K& ,c:Fa)-
uy~KJn?Tu fDmGgD? 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。)
4
|$|]E n237%LH[
N
3)OH6w" file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
#NM.g RltG/ZI 反射镜方向的蒙特卡洛公差
]9?_m@Ihx <tZPS`c'_ 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。
N{@kgc 6g@@V=mf 这意味着参数变化是的正态
>= Hcw %gB 0\C
;b:Ct < v>TI.;{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。
3Q^@!hu 这意味着,波前对对齐误差很敏感。
h 5Y3
v ]p~QdUR(
iG*3S) WY%LeC!t file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
J;Az0[qMR RaFk/mSw 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)
': Gk~ jyPY]r
_s./^B_w! |2!/<%Yr` 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。
8o~<\eF% C !81Km5 总结
4
Y q|Z O&93QN0 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
Fl GKy9k 1.模拟
'\dau> 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
*ms?UFV[r 2.研究
>\b=bT@iM 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。
<{.o+~k 3.优化
8cy#[{u`; 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。
)+[IR 4.分析
dX0A(6 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
[#H$@g|CT 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。
:0pxacD"! V ^=o@I 参考文献
}2M2R}D [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).
$~4ZuV% {{M?+]p,^ 进一步阅读
H@er" boi Y'kD_T`f, 进一步阅读
aX6.XHWbDf 获得入门视频
_T^ip.o - 介绍光路图
^1U2&S - 介绍参数运行
u2'xM0nQ 关于案例的文档
r7sPFM - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
Dm6WSp1|b - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens
N4"%!.Y - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
6l IFxc - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair