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infotek 2024-11-12 07:57

反射光束整形系统

光束传输系统(BDS.0005 v1.0) [=C6U_vU  
T%+ #xl  
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 //B&k`u  
oE6tauQn  
]iVcog"T  
aI'&O^w+  
简述案例
]43/`FX  
{.`vs;U  
系统详情 )w em|:H  
 光源 7K12 G!)  
- 强象散VIS激光二极管 rV.}PtcFY  
 元件 Z<oaK  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) aNsBcov3O  
- 具有高斯振幅调制的光阑 n>z9K')  
 探测器 eNh39er  
- 光线可视化(3D显示) bt SRtf  
- 波前差探测 t}_r]E,{u  
- 场分布和相位计算 _r#Z}HK  
- 光束参数(M2值,发散角) $L `d&$Vh  
 模拟/设计 ?PLPf>e  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 "37lx;CH  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): _IMW {  
 分析和优化整形光束质量 3l]lwV  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 PJ')R:e,  
uuEV_"X  
系统说明 5"VTK  
#&+{mCjs  
P.se'z)E  
模拟和设计结果 N>uRf0E>  
e}voV0y\v:  
QP==?g3  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 s3N'02G  
8bGd} (  
/A\8 mL8  
Ha#= (9.  
>fG3K`  
总结 UsG~row:!  
E, Z$pKL?  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 @3i\%R)n;  
1.模拟 ]|pe>:gf'  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 >tS'Q`R  
2.评估 AF{\6<m  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 [&[k^C5  
3.优化 'ycJMYP8  
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。 [|wZ77\  
4.分析 Y>z>11yEB0  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ZmqKQO  
Wb,KjtX  
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。 ";lVa'HMZ  
uh_RGM&  
详述案例 O^PKn_OJ  
x^qVw5{n  
系统参数 Eh`7X=Z7E  
?PxP% $hS  
案例的内容和目标 )iX~}7  
Y|m +dT6  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 L- iy  
hW' )Sp  
h f)?1z4  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 CT@ jZtg0  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 jdP2Pf^^  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 X #dmo/L8  
OKZV{Gja  
模拟任务:反射光束整形设置 g'f@H-KCD  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 @u+]aI!`-  
E =67e=h  
pQ">UL*  
]#<4vl\  
ITQA0PI SL  
eIF5ZPSZi  
规格:像散激光光束 f)rq%N &  
Ib!RD/  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ;C#F>SG\S  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 w/<L Ag  
)m+W j  
ssA`I<p#  
9=M$AB  
g/_5unI}u  
]%SH>  
规格:柱形抛物面反射镜
m 0C@G5  
                         \\ij(>CI  
 有抛物面曲率的圆柱镜 G Vr1`l  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 \7eUw,~Q>  
 曲率半径等于焦距的两倍 "cGk)s  
.sW|Id )  
k'Hs}zeNn  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) g-k|>-h  
(x|T+c"bAX  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 EWt[z.`T1  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) rKc9b<Ir  
 离轴角决定了截切区域 }K>d+6qk5  
%0?KMRr  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) ]q[D>6_  
=*.~BG  
   uZYF(Yu  
2;b\9R^>A  
光束整形装置的光路图 pF>i-i  
gg/-k;@ Rf  
QL/(72K  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 bWS&Yk(  
 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。  A@('pA85  
@4C% +-  
反射光束整形系统的3D视图 *a^(vo   
#z%fx   
fbvL7* (  
8W7J3{d  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 DfD&)tsMQ  
 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)。 !|uWH  
G4;Oi=  
详述案例 ;;t yoh~t  
7EEl +;wK  
模拟和结果 I 34>X`[o  
gVuFHHeUz  
结果:3D系统光线扫描分析 +=h:Vb8  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 t}4, ]m s  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 wQf-sk#  
DCa^ u'f  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd d-ko ^Y0  
1GRCV8 "Z^  
使用参数耦合来设置系统 8Fh)eha9f  
>y>5#[M!  
u#~RkY7s  
自由参数: ej d(R+  
 反射镜1后y方向的光束半径 _f,C[C[e&  
 反射镜2后的光束半径 T!{w~'=F  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) T>Z<]s  
 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。 re<{ >  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 N"R]Yp;j  
 F(n$  
P+sW[:  
kTB 0b*V  
}8z?t:|S  
UkC!1Jy  
=qIp2c}Rx  
自由参数: z<;HQX,  
 反射镜1后y方向的光束半径 j$:~Rek  
 反射镜2后的光束半径 JbbzV>  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) |df Pki{  
 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 n>XdU%&  
rlLMT6r.8  
;'K5J9k  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 A)!*]o>U  
WH}y"W  
"S]TP$O D  
结果:使用GFT+进行光束整形 p l0\2e)  
xCTML!H  
BU_nh+dF  
T^KKy0ZGM  
X_h}J=33Q  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 cI*;k.KU  
8<.Oq4ku  
{\5  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 L2z[   
n\53wh@+  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 o.!Dq7 R  
w@E3ZL^  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: eMsd37J  
HV|,}Wks6s  
4HlQ&2O%#  
t~XN}gMxw  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd H <l7ZS:  
eauF ~md,  
结果:评估光束参数 4[e X e$  
3pKQ$\u  
;_(4Q*Yx  
 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。 _DtV  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。 wHy!CP%  
lo+A%\1  
%h@EP[\  
 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。 5b*C1HS@X  
 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) VPo".BvG6  
C6PdDRf  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd N6:`/f+A>T  
(<9u-HF#  
光束质量优化 K"MX!  
mzgfFNm^G)  
?@86P|19  
 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。 U xGApK=X  
 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)。
e^voW"?%  
/N{*"s2)  
结果:光束质量优化 n[rCQdM&U"  
WyiQoN'q  
upmx $H>  
 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。 z{QqY.Gu{G  
GbI/4<)l}  
N!}f}oF  
I?CZQ+}Hq  
 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。) oB7_O-3z  
W>r+h-kR  
tw@X> G1z  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ih3n<gXF  
? r4>"[  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 '&b+R`g'  
p_4<6{KEt  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 h?U O&(  
:3 mh@[V  
%cn<ych G  
 这意味着参数变化是的正态 (ZlU^Gw#UB  
-~w'Xo#  
KI.hy2?e  
<P<z N~i9j  
x8|J-8A(  
 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。 %]i15;{X  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 8Zdn,}Z  
UiNP3TJ'L  
:`sUt1Fw.  
-{vD: Il=6  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run lOp`m8_=  
(9)Q ' 'S  
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) 6S #Cl>v  
3so %gvY.'  
"dlV k~  
v$9y,^p@e  
由于波前差和因此校准的偏差更大,M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 0g;|y4SN=  
E{(;@PzE  
总结 eMzk3eOJ  
Ny# ^&-K  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ~TtiO#,t  
1.模拟  !VpoZ  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 W,u:gzmhw  
2.研究 b.938#3,  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 zuCSj~  
3.优化 %iB,IEw  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 +7}]E1Uf  
4.分析 2g<Xtt7+o  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 EQ_aa@M7  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 ;*J  
7HWmCaa[  
参考文献 Bbc^FHip  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). 7:@'B|  
}m8q}~>tL  
进一步阅读 -\MG}5?!  
I1J-)R+  
进一步阅读 Hr C+Yjp  
 获得入门视频 8Fub<UhJ  
- 介绍光路图 +C)~bb*  
- 介绍参数运行 qP ,EBE  
 关于案例的文档 'ga/  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 1~gCtBRM  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens HOi`$vX }N  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing gM]:Ma  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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