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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) y::;e#.  
#OWwg`AWv  
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 mc(&'U8R0I  
`s:| 4;.  
JZL!(>tI  
de1&  
简述案例
/,0t,"&Aqa  
\hM6 ykY-  
系统详情 jd2Fh):q  
 光源 Ir\3c9  
- 强象散VIS激光二极管 K)Db3JIIk  
 元件 g\(7z P  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) x\Sp~]o3C  
- 具有高斯振幅调制的光阑 ']vX  
 探测器 (I[o;0w  
- 光线可视化(3D显示) Lp ]d4"L;3  
- 波前差探测 TTE#7\K~B  
- 场分布和相位计算 RL&3 P@r  
- 光束参数(M2值,发散角) h'-TZXs0e1  
 模拟/设计 T>uLqd{hH  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 KH KqE6  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): m'qMcCE  
 分析和优化整形光束质量 yl'~H;su  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 <O>Q;}>gfc  
Z@ws,f^e  
系统说明 ~4`wfOvO  
NOS5bm&-  
wqGZkFg1  
模拟和设计结果 I$ mOy{/#  
[ objdQU`  
Jx>P%>+<j  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 IeU.T@ $  
p-7dJ  
e8lF$[i  
zIo))L  
D!m hR?t  
总结 S,8zh/1y  
u%h<5WNh<  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 '[-/X a['  
1.模拟 k Dv)g  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 J5o"JRJ"  
2.评估 ifgaBXT55  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ^2??]R&Q  
3.优化 W"Rii]GK"  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 1OGlD+f  
4.分析 cKfYkJ)A'  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 {[9^@k  
k{b ba=<  
对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 V+Tj[:ok  
*"4<&F S  
详述案例 q@!:<Ra,){  
=[k9{cVW  
系统参数 =az$WRV+7!  
SA&wW\Ym]  
案例的内容和目标 Sph+kiy|  
Q.|2/6hD7[  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 QAJ>93  
O:x=yj%^  
VC+\RB#:-  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 DuE>KX{<!R  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 08` @u4  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 {l6]O  
fBF}-{VX(  
模拟任务:反射光束整形设置 v8X&H  
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。 ZV U9t  
+|?c_vD  
0I_;?i  
/Yh([P>  
i!HGM=f  
gky_]7Av  
规格:像散激光光束 ~9c9@!RA2  
xn@jL;+<-  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 btY Pp0o~  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 5R Hs  
4Klfnki  
8vRiVJ8QS:  
{k*_'0   
4[ra  
QEgv,J{  
规格:柱形抛物面反射镜
at*=#?M1?  
                         /LD*8 a  
 有抛物面曲率的圆柱镜 yR!>80$j  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 4_Jdh48-d  
 曲率半径等于焦距的两倍 st2>e1vg  
\\qg2yI  
XJ\q!{;h  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) {2x5 V#6  
la4 ,Z  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 U)!AH^{32  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) E;4a(o]{t  
 离轴角决定了截切区域 O,{ (  
p(G?  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) A-io-P7qyj  
39j d}]e  
   f3>/6 C  
$VA4% 9  
光束整形装置的光路图 Vk (bU=w  
P1QJ'eC;T  
]G B},  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 MUrY>FYgx  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。 3EvA 5K.  
="DgrH  
反射光束整形系统的3D视图 L@Z &v'A  
O5Lv :qAa  
0Nu]N)H5<l  
*ls6#j@  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 m}9V@@  
 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 ?N ga  
o FLrSmY)E  
详述案例 Bkc-iC}F  
ECScx02  
模拟和结果 ej;ta Kzj  
wM)w[  
结果:3D系统光线扫描分析 qt(:bEr^6b  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 \bOjb\ w$  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 r!^\Q7  
b-?o?}*  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd uKy*N*}  
!r*;R\!n2  
使用参数耦合来设置系统 %7#Zb'  
d_uy;-3  
`5Btg. &  
自由参数: ugB{2oqi  
 反射镜1后y方向的光束半径 #P#R~b]  
 反射镜2后的光束半径 (J&Xo.<Z-  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) s vb4uvY  
 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。 %j">&U.[  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 )6&\WNL-x  
gKN_~{{OD  
A#X.c=  
$>=Nb~t!/  
UD2<!a'T  
nq f<NH3i  
eC?/l*gF 3  
自由参数: 1gm/{w6O  
 反射镜1后y方向的光束半径 s;s-6%p  
 反射镜2后的光束半径 Hi_Al,j:  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) TRLeZ0EC  
 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。 Qz+d[%Q}x  
@>2rz  
id+m [']+  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 df6&Nu;4L  
U;{,lS2l  
Y@H,Lk  
结果:使用GFT+进行光束整形 N!BOq`#da  
CQ.4,S}6'  
=9 M|o0aY  
IS2Ij  
o U}t'WU  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 -\'.JA_  
X/-KkC  
Kn#xY3W6  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 kg I=0W>  
~,!hE&LE~  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 HwW[M[qA  
udD* E~1q  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: W(a'^ #xe  
5u)^FIBj  
ru/zLj:  
h2|vB+W-  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ( ssH=a  
 K-5"#  
结果:评估光束参数 aI{@]hCo  
B N*,!fx  
'RV\}gqZ  
 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。 ,rFLpQl  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。 EkStb#  
_c9 WWp?  
J4Z<Yt/  
 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。 pm W6~%}*  
 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) ?X_0Iy}1  
Gj7QG IKx  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 2gL[\/s  
y>7VxX0xi  
光束质量优化 {`K]sa7`  
%<=vbL9  
( #-=y~%  
 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。 ^mgI%_?1  
 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)。
1x\W52 1  
b*FU*)<4.  
结果:光束质量优化 +wz`_i)!  
$: 4mOl  
j |'# 5H`  
 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M²值在两个方向上几乎都是1。 7o965h  
P96Cw~<Q?  
7:VEM;[d  
;H y!0n  
 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) EAC(^+15K  
GwMUIevO_  
U| 41u4)D  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 5gc:Y`7t  
3d#9Wyxs  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 PK-}Ldj  
c;b[u:>~-  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 } `>J6y9  
ZM-/n>  
c+E//X|  
 这意味着参数变化是的正态 >uyeI&z  
 u]1-h6  
1&8j3"  
2[8fFo>  
,<;l"v(  
 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 %;=IMMK  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 ^B<PD]  
uGP[l`f|FQ  
ub zb  
kH>vD = q>  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run S<y>Y  
XDP6T"h  
第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) qXP1Q3  
w| -0@  
w!B,kqTG  
@o4z3Q@  
由于波前差和因此校准的偏差更大,M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 o7c%\v[  
B c,"12  
总结 ,yHzo  
fR]p+\#8u*  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 i_[ HcgT-  
1.模拟 DJ1XN pm  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 3xmiX{1e  
2.研究 d$"G1u~%  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 ;I!+ lx3[  
3.优化 L;.VEz!  
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。 ny!lj a5[  
4.分析 Zzw}sZ?8  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 d{iu+=NXz  
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。 f"Z qA'KB#  
R\9>2*w  
参考文献 #[k~RYS3  
[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). g( ]b\rj  
nR,Qm=;  
进一步阅读 Vr&el  
h"VpQhi  
进一步阅读 T=eT^?v  
 获得入门视频 dp"<KcP_  
- 介绍光路图 dxzvPgi?  
- 介绍参数运行 QmWC2$b  
 关于案例的文档 <_BqpZ^`  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens [ -9)T  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens L<f-Ed9|  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing [<en1  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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