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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) [=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% $hS 案例的内容和目标 )iX~}7 Y|m+dT6 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 L- iy hW')Sp
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f)?1z4 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 CT@ jZtg0 之后,研究并优化整形光束的质量。 jdP2Pf^^ 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 X #dmo/L8 OKZV{Gja 模拟任务:反射光束整形设置 g'f@H-KCD 引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 @u+]aI!`- E =67e=h
pQ" >UL* ]#<4vl\
ITQA0PISL eIF5ZPSZi 规格:像散激光光束 f)rq%N & Ib!R D/ 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ;C#F>SG\S 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 w/<L
Ag )m+W
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ssA`I<p # 9=M$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 GVr1`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}z eNn 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*
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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,]ms 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: ejd(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[: kTB0b*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) xC TML!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\53w h@+ 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 o.!Dq7R 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[eXe$ 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。 _D tV 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.'
"dlVk~ 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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