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2020-11-17 10:01 |
反射光束整形系统
光束传输系统(BDS.0005 v1.0) JQr36U hN}5u"pS 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 #e*$2+`[A y
"<JE<X 2t.fD@ L% zuI& q 简述案例 -/1d& *eMLbU7 系统详情 7~L|;^( 光源 =$[W,+X6f - 强象散VIS激光二极管 ={OCa1 元件 :
qr}M - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) &4[<F"W>47 - 具有高斯振幅调制的光阑 })q]gMj 探测器 ^=3 ^HQ'Zm - 光线可视化(3D显示) A03I-^0g+
- 波前差探测 ~LSy7$rz - 场分布和相位计算 p+!f(H - 光束参数(M2值,发散角) 9B&
}7kk 模拟/设计 t<8z08 - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 "rL"K - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): e-1;dX HL 分析和优化整形光束质量 D_zcOq9 元件方向的蒙特卡洛公差分析 OrzM
hQaf ^9n}-Cqeq 系统说明 zv&ePq\# n&3iz05}
pFG]IM7o/u 模拟和设计结果 6_x}.bkIx= Z+OAs0}mV
8a_ UxB 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 <d3PDO@w/ "Wxo[I
7cy+Nz
wA{*W>i lK_
~d_f 总结 "K/[[wX\b "tEj`eR 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 z&\Il#'\m+ 1.模拟 S5zpUF= 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 hqdC9?\ 2.评估 I3V{"Nx6 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ))8Emk^Q{ 3.优化 HCI'q\\ 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。 9(i0"hS^ 4.分析 |k/`WC6As. 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 oSpi{ $x ~NTDG 对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 {Q}!NkF1 @'6S[zU 详述案例 q}wl_ku9+ 7*R{u*/e 系统参数 //ne']L N[- %0 案例的内容和目标 *##QXyyg yBUZVqqDa 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 ahK?]:&QO Gsx^j?
hpd(d$j 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Yg\{S<wr 之后,研究并优化整形光束的质量。 V'Sd[* 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 fzq'S]+ [,.[gWA 模拟任务:反射光束整形设置 G~b`O20N 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。 3:l: ~Vn }3
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iX0]g45o /y+;g{
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/SDEL \}]=?}( 规格:像散激光光束 ?0 KiR? =%:n0S0C" 由激光二极管发出的强像散高斯光束 bUY:XmA 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ^+.+IcH `2
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^VM"!O;h{ :8\*)"^E
Mm:a+T DjevX7Q 规格:柱形抛物面反射镜 +R{A'Yl[( :V5!C$QV 有抛物面曲率的圆柱镜 i{1)=_$Vt` 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 /h}wM6pg 曲率半径等于焦距的两倍 5p#o1I )D6'k{6 M ue^?/{OuT 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) V{a}#J z<3}TD 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Kd AR)EU> 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) .>AFf9P 离轴角决定了截切区域 /Gh
x2B di)noQXkB- 规格:参数概述(12° x 46°光束)
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S x0AqhT5}
@@&@}IQcR1 vMW-gk 光束整形装置的光路图 wt_?B_nR "R\\\I7u
i"r.>X'Z 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 8`rAE_n`% 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。 Kc-A-P &Ry )+Y\NO?O 反射光束整形系统的3D视图 P}.yEta {$u@6&
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VfE^g\Ia CwH)6uA 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 <Vr]2mw 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 qI4R`P" q6m87O9 详述案例 iBPdCp%]` W:;` 模拟和结果 /%}YuN HPd+Bd 结果:3D系统光线扫描分析 Tg{dIh.Q~O 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 !,-qn)b 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 u6bB5(s`& 4%c7#AX[T file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd J4K|KS7
*fuGVA 使用参数耦合来设置系统 46.q anh W&~iO :'^dy%&UB 自由参数: d@q t%r3; 反射镜1后y方向的光束半径 ytBxe] 反射镜2后的光束半径 !~$ YD*"S 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) sP8-gkkor 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。 NdED8 iRc 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 +_|cZlQ& [#3Cg%V
q%=7<( w v,x%^gv 0 (1r>50Ge
PUFW^"LV :0TSOT9. 自由参数: @ T~#Gwv 反射镜1后y方向的光束半径 GWkJ/EX 反射镜2后的光束半径 scPq\Qd?O 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) S;AnpiBM8 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。 ^2?O+ =,F /xm} ?t0U p6eDd"Y 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 }RP 9%n^ ]@<3 6ByM !A^w6Q;`V 结果:使用GFT+进行光束整形 W0?Y%Da(4m TXvt0&-
`))J8j" |EEz>ci BQfAen] 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 u4*]jt;H uL2{v XGup,7e9 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 z&yb_A:> p$!+2=)gY 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 OXCml(>{ v.^
'x 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: )eGu4iEPM ^9V8 M9
G|Yp<W%o kFZu/HRI file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd RO3e `::(jW.KO 结果:评估光束参数 =`.5b:e tS/APSY &T/9yW[L 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 {4jSj0W 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 .$s|T
;NVTn<Uj ppo$&W
&z 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。 `&Of82*w 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) `r0
qn'* 6g,3s?aT file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd w0%ex#lkm \U => 光束质量优化 J3}C T 7z0uj `YU:kj<6 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。 O09g b[ 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)。 ?j$8Uy$$ SE-, 1p 结果:光束质量优化 %Bu n@ yW,#&>]# | KdQ|$t 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。 Dq1XZ%8 u2m{Yx|
2
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Be BCDf9]X 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。) 0J,d9a [1 $,v+i
-
#:5g`Ch4, file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd u^.k"46hn }@0. 反射镜方向的蒙特卡洛公差 N0KRND [#fqyg 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 k yA(m;r iK0J{' y(BLin!O. 这意味着参数变化是的正态 wbKBwI5w F&j|Y>m
jsht2]iq3K &IY_z0= EF{'J8AQ 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。 h/~BUg' 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 90k|u'ikOp ~g|0uO}.
#EK8Qe_ >V=@[B(0 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run }n8;A;axi $ =a$z" 第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) jJC((1| #mxfU>vQ:
D??/=`|8 QRa6*AYm 由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 rZ4<*Zegv SytDo (_=W 总结 V!tBipX% eV}Tx;1|} 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 -%$
dFq 1.模拟 L 'Rapu 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Y|jesa {x 2.研究 _qNLy/AY 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 7u0R=q 3.优化 QP0X8%+p 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。 *dgNpJ 9 4.分析 zhL,BTH 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 =x]dP. 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。 (ZsR=:9( ?saVk7Z[|5 参考文献 eR;0pWVl [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). ?LM'5 /a)=B)NH 进一步阅读 8 z7,W3b Lwk- 进一步阅读 1"PE@!] 获得入门视频 1yc@q8 - 介绍光路图 5aQg^f%\ - 介绍参数运行 8"^TWzg}L 关于案例的文档 9h pM*wt - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 6[7k}9`alz - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens >*CK@"o - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing W<l(C!{ - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair ZK*aVYnu l))IO`s=_ !7?wd^C'f QQ:2987619807
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