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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) I=7 YAm[W 'CvV Ktk 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 uiaZ@ R rp-SR?O ev z@c)8 ]=(PtzVa 简述案例 jJe?pT]o _k Utj(re 系统详情 XM:\N$tg 光源 ?GeMD
/] - 强象散VIS激光二极管 /(DnMHn\ 元件 QJU\YH%} - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) Ko %e#q- - 具有高斯振幅调制的光阑 a}'dIDj 探测器 $Sd pF-' - 光线可视化(3D显示) =v=u+nO - 波前差探测 l|K$6>80 - 场分布和相位计算 2X 0<-Y#' - 光束参数(M2值,发散角) @
[%K D 模拟/设计 +RyV"&v - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 wfQImCZ>l - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): 'oF ('uR 分析和优化整形光束质量 .FA99|: 元件方向的蒙特卡洛公差分析 -BEd7@?A 9~4@AGL 系统说明 c2:oM<6| rYrvd[/*&(
OZQN&7 模拟和设计结果 =!IoL7x G$;cA:p-j
!k!1h%7q 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 8+8L'Yv; aq- |
OOnhT
Hd_,`W@ Dw<bLSaW& 总结 _=HNcpDA;0 ~"r(PCa@ 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 +HlZ?1g 1.模拟 J>1%*Tz 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 NYc ;Zwv9 2.评估 r(JP&
@ 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 %uvA3N> 3.优化 #dQFs]:F 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。 \s7/` 4.分析 */4hFD { 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 NKl`IiGv RV%)~S@!R 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。 Hp[i8PJ {+V ]@sz 详述案例 ~vcua@ }yw>d\] f 系统参数 X2'XbG3 <,Mf[R2N> 案例的内容和目标 ,h<xY> tTT
:r),}$ 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 ;7*T6~tv 1'|gxYT
03"FK"2S 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 J[c`Qq:&e 之后,研究并优化整形光束的质量。 p-H}NQ\ 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。
I]BhkJ <r
m)c. 模拟任务:反射光束整形设置 Rln\ 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。 fNBI!= taMcm}*T1
n%Oq"`w4 UhJ!7Ws$
7spZe" A(H2Gt
D 规格:像散激光光束 *X^C+F Gte\=0Wr 由激光二极管发出的强像散高斯光束 oDayfyy4y) 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 #^(Yw|/K 6cD3(//
N-q6_ M^Tm{`O!
\S&OAe/b c6AwO?x/ 规格:柱形抛物面反射镜 ddd2w yXqC 有抛物面曲率的圆柱镜 Z#D*HAd` 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 Spin]V 曲率半径等于焦距的两倍 wQ[!~>A J:O&2g"g
p.b#RY 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) P1Eg%Y6 Z 对称抛物面镜区域用于光束的准直 sx]{N 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) 72_+ b 离轴角决定了截切区域 Db;>MWt+e ?%#no{9 规格:参数概述(12° x 46°光束) 2##mVEo.( YB!f =_8
d|)ARRW Z9q4W:jyS 光束整形装置的光路图 K9yZG wXZ9@(^
WFhppi 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 w4_Xby) 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。 "]Uj _d {d]B+' 反射光束整形系统的3D视图 2oOos%0 \I^"^'CP
m,J
IId%O lQ4^I^?m 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 :eT\XtxM~{ 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)。 b\zq,0% 7i'clB9! 详述案例 r!w*y3 G2 V$8lh 模拟和结果 i)$+#N qh&q<M 结果:3D系统光线扫描分析 }_}
首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 %_CL/H
使用光线追迹系统分析仪进行分析。
qFLt/
> Qh6vH9(D file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd O1\25D }NRt:JC 使用参数耦合来设置系统 1zw,;m n B1s&2{L6K -dN`Ok<g 自由参数: 6}0_o[23 反射镜1后y方向的光束半径 o4@d,uIw^ 反射镜2后的光束半径 Evqy e; 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) `ZO5-E 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。 \
bWy5/+ 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 m=v.<+> 4:733Q3oK
oHp"\Z& |nr;OM E[=&6T4
qu]a+cYY e=IbEm{| 自由参数:
fCnwDT 反射镜1后y方向的光束半径 ,KF>@3f 反射镜2后的光束半径 oL }d=x/ 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) _ouZd. 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。 yd'cLZd<} /L2n
~/ 1=E}X5 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 ~k?t 2`ERrh^i" Z0D&ayzkh^ 结果:使用GFT+进行光束整形 3,{;wJ
Z 9$VdYw7D
-em3 #V {ehYE ^%N bNtOqhi 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 d{(Rs.GuP 1DL+=- jGJf[:M&Pm 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 /X#OX8gb] z&um9rXR 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 EG8z&^O x ;ByCtVm2 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: B>z^W+Unyn F8{T/YhZ
-xJ\/"A m9jjKu]| file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd s k~7"v{Y. IF//bgk- 结果:评估光束参数 99]s/KD2yb #.Ly ,'l.u?SKyd 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 98_os2` 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。 dr(e)eD(R>
W&Xi&[Ux @wP.Rd 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 2!{_x8,n M²值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M²值是由光束偏离引起的) y] Cx[ FgPmQ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd (>Pz3 7 ,p\*cHB9 光束质量优化 7Bf4ojKt 6G-XZko~a b
Hy<`p0 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 X\<a|/{V A 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。 F[.IF5_ #SD2b,f 结果:光束质量优化 OU mZ| fKua om9 pMp@W`i^6 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M²值在两个方向上几乎都是1。 y %Y P G~Y#l@8M+
YsO`1D >S?7-2X 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) ~ r$I&8 MUN:}S
)oS~ish file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ~$Z_#,|i? y G>sBc 反射镜方向的蒙特卡洛公差 x}reeqn ZQ[s: 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 -r0oO~KT 1fF\k#BE-% SC2g5i` 这意味着参数变化是的正态 ab 6D & 2b:I.
,l\D@<F z_z'3d.r7 F#efs6{ 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 qEjsAL 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 _)#~D*3 [|HQfTp$
<R#:K7>O
"M]`>eixL file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run MpJx>0j/J U(:t$SBKy 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) Aq/wa6^% -%t8a42
8EI&}I b55G1w 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。 %,) Xi .fY$$aD$4 总结 Fd9Z7C +T7FG_ 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 yXc@i)9w3 1.模拟 'wTJX> 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 NMP*q
@ 2.研究 *P[N.5{ 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 /3~}= b 3.优化 `P9%[8`C 9 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。 u\UI6/ 4.分析 ^#2Y4[@ 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 f<3r;F7 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。 11yS2D
Aj=c,]2 参考文献 /M_kJe,% [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). C6b(\#g( >Q^*h}IdW 进一步阅读 HM\gOz )i>T\B 进一步阅读 =TXc- J 获得入门视频 T}A{Xu*:+H - 介绍光路图 oRCD8b? - 介绍参数运行 z[_Gg8e 关于案例的文档 6~q"#94 - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 22m'+3I~Y - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ia/_61% - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing y|Zj
M - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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