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2024-11-12 07:57 |
反射光束整形系统
光束传输系统(BDS.0005 v1.0) )54;YK ^fT|Wm< 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 p}%T`e=Z9 JyY-@GF 48JD >=@7 LwQq0<v 简述案例 %y{#fZHc Z&gM7Zo8 系统详情 :|3n`, 光源 Gj[`r - 强象散VIS激光二极管 kGsd3t!' 元件 F3$@6J8<[z - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) :uE:mY%R - 具有高斯振幅调制的光阑 [m3[plwe 探测器 s*<\mwB - 光线可视化(3D显示) [;3` Aw - 波前差探测 (he cvJ - 场分布和相位计算 j3`#v3 - 光束参数(M2值,发散角) Nf(Np1?;c 模拟/设计 dGf:0xE" - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 ##~";j - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): [EUp4%Z # 分析和优化整形光束质量 @giJ&3S, 元件方向的蒙特卡洛公差分析 GMqeC f>\guuG 系统说明 )&R^J;W$M1
II;fBcXF
B]Vnu7 模拟和设计结果 R4+Gmx1 W<<{}'Db/#
0F$;]zg 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 $e66j V n]$50_@
gFR9!=,/V%
wLyQ <[$ P%`|Tu!B 总结 +X)n} jh :<$B o 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 4 [2^#t[ 1.模拟 EugQr<sM# 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ~Pq(Ta 2.评估 i[obQx S94 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 gd~# uR\ 3.优化 VJ1(|v{D4[ 利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 KLqn`m`O; 4.分析 1<Fh
aK 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 >iefEv\ "vVL52HwB 对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 ,})x1y x2gnB@t 详述案例 ^6*LuXPv T8|aFoHCK 系统参数 e!cZW.B=`f V\k?$} 案例的内容和目标 {=]1]IWt 8SmtEV[b3 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 fNz*E|]8& P} =eR
moO=TGG;F 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 2p3ep, 之后,研究并优化整形光束的质量。 Gt{'` P,&9 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 WU oGIT' }2qmL$ 模拟任务:反射光束整形设置 pyPS5vWG 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。 qkX}pQkG)h iO^z7Y7
a|B^% ('1k%`R%
-
zaqL\ Qg]8~^Q< 规格:像散激光光束 0:K4, 1S!<D)n 由激光二极管发出的强像散高斯光束 u+7B-l=u* 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 W`zY\] I{Pny/d`
4fe$0mye JI1O(
![O@{/ Y,1sNg 规格:柱形抛物面反射镜 BaSNr6
YW gemjLuf 有抛物面曲率的圆柱镜 F12tOSfu* 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 r Ntc{{3_ 曲率半径等于焦距的两倍
0>D: #L\t)W IT \Pj_ 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) BV=L.* -BWkPq! 对称抛物面镜区域用于光束的准直 cE
x$cZRMI 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) t(SSrM] 离轴角决定了截切区域 #A|~s;s>N C#]% 规格:参数概述(12° x 46°光束) ~;/\l=Xl 3HsjF5?W
m.~&n!1W*` \Yv<TzJ9 光束整形装置的光路图 h-VpX6 !x9j~D'C`
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<a 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 Ed/@&52z0 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。 HLMEB0zh^ 0`X%& 反射光束整形系统的3D视图 Zp|LCE"
b@J&jE~d
l'~]8Wo1 )Qve[O 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 UXB[3SP 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)。 qlUYu"`i Qi^MfHW 详述案例 [c?']<f4 0D1yG(ck 模拟和结果 Xq&x<td YBgHX [q 结果:3D系统光线扫描分析 4+mawyM 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 lj"L Q(^ 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 Fi{~UOZg xh>/bU!> file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ;??wLNdf-
uh`@ qmu) 使用参数耦合来设置系统 hoASrj{s n5_r
3{ JH!qGV1 自由参数: o a,Ju 反射镜1后y方向的光束半径 v>Il# 反射镜2后的光束半径 ]>@;
2%YvY 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) Co8b0-Z 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。 =K2Dxu_: 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 iUh_rX9A" @18@[ :d"
z]>aWH}$ fiTMS: >p!d(J?
HSx~Fs^J my")/e 自由参数: bIizh8d? 反射镜1后y方向的光束半径 U-TwrX 反射镜2后的光束半径 +7<{yP6wU 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) bl\44VK2' 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。 6__@?XzJ /#$bb4 l1c&a[M) 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 lg;Y}?P u0$7k9mE '2]u{rr~+ 结果:使用GFT+进行光束整形 {549&]/o n:he`7.6O
UA,&0.7 8BNsh[+ ?9X#{p>q 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 xpyb&A "<6pp4*I iCN@G&rVw 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 $E|W|4N <-Q0WP_^ 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 s~/]nz]"J p%IR4f 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: |f8by\Q86= [CPZj*|b
sNvT0 RYE::[O7 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd LO.4sO ^yK94U;<Gy 结果:评估光束参数 Dr`\ =(v!pEF V-=$:J"J'\ 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。 -xXNzC 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。 n{BC m %
uc Z(D|a /F;*[JZIb 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。 jT::o 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) <O5;w '0
(Bb file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
`4}!+fXQ *`}_e)(k 光束质量优化 ?RpT_u {]<D"x; qoZ* sV 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。 T]^F%D% 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)。 1A E/ILGo 20?i4h_ 结果:光束质量优化 puqLXDjA/ Y ga}8DU }0 <x4|= 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。 MCh8Q|Yx4 a+{g~/z;,Q
t C 6 c4j (X!/tw,. 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。) 1
9
k$)m i"rMP#7
+ypG<VBx% file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ''5%5(Y.r do[K-r 反射镜方向的蒙特卡洛公差 ^OBaVb /#:RYM'Tu 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 6km
u'vw ?>%u[g Z$ftG7;P0 这意味着参数变化是的正态 =\XAD+ w:Lu
I.8|kscM ,O[vxN1X* HO@T2t[ 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。 L//sJe 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 9d{W/t?NH w4x 8
Sre
c hd${
j pM46I" file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 5z]dA~;*2 [CUJ A 第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) %x927I> dX$])b_Uw
Bw_Ih|y,w z!3Z^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。 mefmoZ <`r+l5 总结 M`>W'< <khx%<)P 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 :mJM=FeJ 1.模拟 W^Rb~b^? 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 |E~X]_Y 2.研究 Vks,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。 L3GJq{t 3.优化 [e}]K: 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。 )/U1; O 4.分析 Dq?2mXOqD 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 >|'6J!Op 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。 Dw#&x/G TdE_\gEo/R 参考文献 =#^dG''*" [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). ]bR'J\Fwl sN g"JQ 进一步阅读 )F$Stg3e s Y6'y'a95 进一步阅读 'pe0Q- 获得入门视频 !6%G%ZG@3- - 介绍光路图 ZF
t^q/pw - 介绍参数运行 q@sH@-z4] 关于案例的文档 J6%op{7/ - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens x$Oz0 [ - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens '" tieew - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing K$]QzPXS - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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