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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) yLfb'Ba NFT&\6!o 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 9!hiCqA& mSSDV0Pfn <d xc"A 1`1U'ibhe 简述案例 ,v;P@RL|g ?3ldHWa 系统详情 wfH#E2+pk 光源 {(r`&[ - 强象散VIS激光二极管 U8_<?Hd 元件 aiP.\`>} - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) [[(29|`] - 具有高斯振幅调制的光阑 _hgu: 探测器 uveby:dh - 光线可视化(3D显示) 0Da9,&D - 波前差探测 E"p; - 场分布和相位计算 XV"8R"u%Q - 光束参数(M2值,发散角) 5VWyc9Q 模拟/设计 3ifQKKcR{ - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 m[~fT(NI - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): Bi7QYi/ 分析和优化整形光束质量 V gLnpPOQ 元件方向的蒙特卡洛公差分析 3z$9jN/<u =<ngtN 系统说明 w'NL\> H$2<N@'4z
37Z@a!# 模拟和设计结果 ttlFb]zZh +C4UM9
5;{Q >n 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 dQSX&.<c, ZzZy2.7
*3;H6
~gz_4gzb CmyCne
总结 j9FG)0 V^9c:!aI 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 =+{SZh@ 1.模拟 49vKb(bz{ 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 M`6rI 2.评估 B(+J?0Dj 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 .wj?}Fr?97 3.优化 <Co\?h/< 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。 Gt>*y.] 4.分析 R(jp 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 |Tn+Aq7 !Z f<
j 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。 xaQO=[ `;?`XC"m 详述案例 Pc"g
(^x , 系统参数 =Kf]ZKj) >NL4&MV: 案例的内容和目标 $\:;N]Cs~0 pP JhF8Dt 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 qX,TX
3 l_ Eeus
Qq,w6ekr 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 >"}z
% # 之后,研究并优化整形光束的质量。 x6-bAf 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 %d3KE|&u ,E YB
E 模拟任务:反射光束整形设置 rd#O ] 引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 'Ipp1a
Z_M nQy %av$
(RhGBgp C"X; ,F<
h!>K[* X:3W9`s)* 规格:像散激光光束 >ZX&2 { Gp&o 由激光二极管发出的强像散高斯光束 l)1FCDV 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 aJAQ G aaa6R|>0
_VvXE572 =Fu~ 0Wc
%yr(i 6L VMa\?`fT 规格:柱形抛物面反射镜
x'OYJ>l| ONc-jU^ 有抛物面曲率的圆柱镜 a,>`ab%> 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 `Z)]mH\X 曲率半径等于焦距的两倍 *=b#>// ;";#{B: e<.O'!=7Y 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) e#R'_}\yj xzI?'?duC 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ,)u7P Ms 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) u)NmjW 离轴角决定了截切区域 U&PwEh4uG 948 lL& 规格:参数概述(12° x 46°光束) o?T01t= b@p3iq:
0\/cTNN @_:Jm
tH< 光束整形装置的光路图 Vm_<eyI2 >I*Qc<X91
q>n0'`q 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 s]lIDp} 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。
krt8yAkG xllk hD4F 反射光束整形系统的3D视图 X{-@3tG<r 8dBG ZwyET
mW+QJ` 3 ~WKcO& 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 GM{J3O= 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)。 q.GA\o jO5R0^w 详述案例 0QakFt vwc)d{ND 模拟和结果 ){_D I7Uj<a=(q 结果:3D系统光线扫描分析 P.j0 Xlof 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 )9PP3" I 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 reU*apZ/ p,cw-lN file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd *!W<yNrR XZ3)gYQi 使用参数耦合来设置系统 %XUV[L} v[}g+3a uFXu9f+ 自由参数: (mvzGXNz4 反射镜1后y方向的光束半径 ~?BN4ptc 反射镜2后的光束半径 CSBk 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) vT&xM 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。 faqh }4 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 jcY:a0 [{D bVbh| AA
n>5/y
c"/q *pOdM0AE en1NFP
FK:Tni >U2[]fu 自由参数: A=+
|&+? t 反射镜1后y方向的光束半径 GQR|t?:t 反射镜2后的光束半径 .w@o%AO_ 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) ~\C.Nm 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。 AlH\IP Gfbeh % FVw4BUOmi 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 c-ud $0)c ZB|y VuiK5?m 结果:使用GFT+进行光束整形 ahnQq9 m%[Ul@!V
ov@N13 ,$ ar#Xe;T! SD=kpf; 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 3EHn}#+U >3J?O96|f N-~Uu6zr 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 g`690 G[[hC[}I 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 GCEcg&s=\S
^kElb;d 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差:
oRbG6Vv/ XLeQxp=
zt23on2 <NVSF6` file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 7H~J?_
Q9!T@ 结果:评估光束参数 "B^c Z%t"~r0PS tzKIi_2 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。 .ZzxW 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。 F"?OLV1B&
X`n)]~ 2yt)"DnFk 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。 8pEiU/V 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) ioZ{2kK X:ck file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd @Ft\~ +} ST*\ Q 光束质量优化 LZ?z5U: B]""%&! O f7mN,_Lt 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。 `ecIy_O3P& 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)。 DF>LN%a~ )rqb<O 结果:光束质量优化 M$O*@]) _(R1En1 pel{ ;r 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M²值在两个方向上几乎都是1。 \bc ob8u LxcC5/@\~(
-{^I T` Tgf#I*(^] 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) _~=qByD
G(n
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3)bC, file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ~eVq Fc Bc^%1 反射镜方向的蒙特卡洛公差 ^ |xSU_wa 19r4J(pV
对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 5\?\|* WT ~g6`Cp` ,k,RXgQ 这意味着参数变化是的正态 8c6dTT4 `[&) X
d&@>P&AT P Tc@MH) nz?jNdyz 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 E6=JL$" 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 ,"@Tm01os d,c8ks(
24}?GO kzK4i!} file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 3Y
L ? 0}M'L 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) 4dB6cg >R9_;
t=K;/1 >\/H2j 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。 X:un4B}O Gl4(-e'b 总结 n{b(~eL? BkH- d z 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 L$Uy 1.模拟 e13{G@ 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 mr4W2Z@L 2.研究 #]~l]Eq 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 +5zLQ>]z 3.优化 \BoRYb9h 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 yX {CV7%O 4.分析 WRq:xDRn0 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 THQd`Lj 可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 DR d|m<Z cJ}J4? 参考文献 wc&`/'<p [1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). "&_$%#HUv (O$PJLI 进一步阅读 \o&\r)FX z
?3G` 进一步阅读 2/T4.[`t 获得入门视频 eaG _)y - 介绍光路图 8RA]h?$$J - 介绍参数运行 ^AI5SjOUx 关于案例的文档 9*thqs3J#d - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens d(=*@epjR - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens #:~MtV
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 1\[En/6 - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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