infotek |
2020-11-17 10:01 |
反射光束整形系统
光束传输系统(BDS.0005 v1.0) !by\9
?n y?:.;%!E 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 = f i$}>\ n(|^SH4$b \4#W xZ ;GI&lpKK 简述案例 eY\yE"3 Y<rU#Z #T 系统详情 4e1Y/
Xq` 光源 9K&:V(gmw - 强象散VIS激光二极管 :eg4z ) 元件 {GO#.P" - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) Lxk[;j+ - 具有高斯振幅调制的光阑 f9\X>zzB2| 探测器 e]tDy0@ - 光线可视化(3D显示) +]50D xflA - 波前差探测 [PM4k0YC 8 - 场分布和相位计算 `KQvJjA6 - 光束参数(M2值,发散角) )Beiu* 模拟/设计 u4_9)P`]0 - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 yA>nli= - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): #=v~8 分析和优化整形光束质量 JLJ;TM'4= 元件方向的蒙特卡洛公差分析 f`/x"@~H5 !YJs]_Wr 系统说明 ]d%8k}U 4g7)i L^#~
=>dGL| 模拟和设计结果 $j?1g# FEVlZ<PW3I
2[;_d;oB @ 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 TuYCR>P[ e*n@j
r)6M!_]AW
FkRo
_? D1mfm.9_r^ 总结 ?NP1y9Y]i _{Hj^}+$ 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 +t:0SRSt 1.模拟 5P$4 =z91 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 vA.MRu# 2.评估 ^Va1f'g 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。
gRT00 3.优化 &l[$*<P5V 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。 a -moI+y 4.分析 ',4iFuY 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 I,'k>@w{s !7&5` q7 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。 @Pzu^ 9?3&?i2- 详述案例 :<#nTh_@\'
4I?^ t" 系统参数 0k(a VkZ I BFJnV.0M! 案例的内容和目标 yEj^=pw g2/8~cn8z 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 t3Y:}%M 78%~N`x7
QS]1daMIK< 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 nL.<[]r 之后,研究并优化整形光束的质量。 !o[7wKrXb 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 3gj+%%!G\ e,XYVWY% 模拟任务:反射光束整形设置 \A6B,|@ 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。 bB;5s`- yD6[\'%
3fJc
9| A:9?ZI/X
Uwx
E<=z 'D"C4;X 规格:像散激光光束 RTJ3qhY c>~*/%+ 由激光二极管发出的强像散高斯光束 x`IEU*z# 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 8d-t|HkN bl(RyAgA
v(D;PS3r
7 zeC
RK+-
"E?2xf|. tlp@?(u 规格:柱形抛物面反射镜 @w !PaP T+k{W6 有抛物面曲率的圆柱镜 X~,aNRy 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 r7,t";?> 曲率半径等于焦距的两倍 y(pks$ jc f #6 T+K):ug 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) )Z ?Ym.0/ 9dUravC7 对称抛物面镜区域用于光束的准直 :#?5X|Gz 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) ?+a,m# Yx 离轴角决定了截切区域 mh[75( ;^I*J:] 规格:参数概述(12° x 46°光束) O[)kboY xJ)n4)
//<nr\oP Nyj( 0W 光束整形装置的光路图 in- HUG |3[Wa^U5
hUMf"=q+ 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 #c?j\Y9nz 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。 aAMVsE{ QTXt8I 反射光束整形系统的3D视图 }m;,Q9:+m^ T7u%^xm
}$Tl ?BRpU {I #]@, 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Q;JM$a?5iV 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)。 Rt!FPoN,y d]6#m'U 详述案例 h*$y[}hDuv gPsi 模拟和结果 Vq?p|wy lqZ 5?BD1 结果:3D系统光线扫描分析 Zk"eA'"\ 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 &Ao+X=qw 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 r^paD2&}
&NoS=(s, file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Y
M\ K%rk _i|t
Y4L 使用参数耦合来设置系统 `a/%W4 HbAkZP P5nO78 自由参数: E5xzy/ZQ 反射镜1后y方向的光束半径 1Y@Aixx 反射镜2后的光束半径 pDIVZC 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) u!X|A`o5i 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 h=kh@}, 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 ,\ k(x>oy /.M N
FUjl8b-| 87P>IO ^T$|J;I
Dg?70v<a `~Zs0 自由参数: <55g3>X 反射镜1后y方向的光束半径 x+x40!+\ 反射镜2后的光束半径 pd7NF-KD 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) J/GSceHF 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。 O8u j`G 9 PuT@}tw vbBc}G"w 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 cmg^J
Uo>]sNP~ )3w@]5j 结果:使用GFT+进行光束整形 4 G-wd [[Fx[
;\Y&ce >wBJy4: {(wHPzq 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 "zRoU$X RUT,Y4 b }J1tdko# 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 _/!y)&4" ;@Z#b8aM} 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 Vq;A>
<U >>ZSi 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: D-(w_$# :Q_<Z@2Y{
[uls8
"^/j oMTf"0EIW file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd c|62jY"$-2 ,@3$X=),E 结果:评估光束参数 C@W"yYt fCtPu08{Z R Yl> 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。 Qj6/[mUr~ 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 $8[r9L!
q**G(}K /_Z652@ 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 WjwLM2<nK7 M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的) iN0nw]_* ugx%_x6 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd sHl>$Qevz P2'DD 3 光束质量优化 .j>hI="b C[Dav&=^F ,NVsn 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。 E7)=`kSl 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)。 x61 U[/r )R
2. 结果:光束质量优化 MxcFvo*LCp Y +\% IGFR4+ 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。 CL}{mEr} X>.
NFB
'ao"9-c cEd+MCN 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。) w MP B0!"A
;~u{56 file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd Y.U[wL> FH%GIi 反射镜方向的蒙特卡洛公差 @b~fIW_3> e^Ky<*Y 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 { e5/+W F.=Bnw/- a~!G%})'a 这意味着参数变化是的正态 -,{-bi Io|Aj
2'<[7! u=/CRjot >ap1"n9k 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。 )){9&5,0: 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 U}l14 ^3FE\V/=
BEgV^\u aCxE5$~$ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run g}U3y' l-$uHHyu* 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) Z@%HvB7 OOz[-j>'Y+
0W()lQ 3#45m+D 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。 zb
Z4|_ z>06hBv(?Y 总结 N#_GJSG_| T'aec]u 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 r]Ff{la5 1.模拟 = }:)y0L 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 cFF*Z=L_ 2.研究 lM[XS4/TRa 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 h}Wdh1.M3 3.优化 zn@N'R/ 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。 ?}Lg)EFH 4.分析 X*7\lf2 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 `O8b1-1q~ 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-f U4? on7I
l 参考文献 <(e8sNe [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). 6k/U3&R l@hjP1o 进一步阅读 M8b4NF_& WmQ01v 进一步阅读 irZFV
获得入门视频 N=)z - 介绍光路图 xyE1Gw`V - 介绍参数运行 x)_@9ldYv 关于案例的文档 X}6#II - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens V8~jf-\$b - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens T=YzJyQC) - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing g3%t8O/M - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair Ij'NC C JkA|Qdj~Mr .M4IGOvOS QQ:2987619807
|
|