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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) 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
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zIo))L D!mhR?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。 '[-/Xa[' 1.模拟 kDv)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{bba=< 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$WRV+7! SA&wW\Ym] 案例的内容和目标 Sph+kiy| Q.|2/6hD7[ 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 QAJ>93 O:x=yj%^
VC+\RB#:- 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 DuE>KX{<!R 之后,研究并优化整形光束的质量。 08`
@u4 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 {l6]O fBF}-{VX( 模拟任务:反射光束整形设置 v8 X&H 引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 ZV U9 t +|?c_vD
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i!HGM=f gky_]7Av 规格:像散激光光束 ~9c9@!RA2 xn@jL;+<- 由激光二极管发出的强像散高斯光束 btYPp0o~ 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 5R Hs 4Klfnki
8vRiVJ8QS: {k*_'0
4[ra QE gv,J{ 规格:柱形抛物面反射镜 at*=#?M1? /LD*8 a 有抛物面曲率的圆柱镜 yR!>80$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>/6C $VA4% 9 光束整形装置的光路图 Vk (bU=w P1QJ'eC;T
]G B}, 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 MUrY >FYgx 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。 3EvA 5K. ="DgrH 反射光束整形系统的3D视图 L@Z
&v'A O5Lv:qAa
0Nu]N)H5<l *ls6#j@ 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 m}9V@@ 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 ?N
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FLrSmY)E 详述案例 Bkc-iC}F ECScx02 模拟和结果 ej;taKzj wM)w[ 结果:3D系统光线扫描分析 qt(:bEr^6b 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 \bOjb\ w$ 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{2oq i 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*gF3 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)。 df6Ν4L U;{,lS2l Y@H,Lk 结果:使用GFT+进行光束整形 N!B Oq`#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。 kgI=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#
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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。 pmW6~%}* 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 Gj7QGIKx 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\W521 b*FU*)<4. 结果:光束质量优化 +wz`_i)! $: 4mOl j |'#5H` 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M²值在两个方向上几乎都是1。 7o965h P96Cw~<Q?
7:VEM;[d ;H
y!0n 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) EAC(^+15K GwMUIevO_
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41u4)D file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 5gc:Y`7t 3d#9Wyxs 反射镜方向的蒙特卡洛公差 PK-}Ldj
c;b[u:>~- 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 } `>J6y9 ZM-/n> c+E//X| 这意味着参数变化是的正态 >uyeI&z
u]1-h6
1&8j3" 2[8fFo> ,<;l"v( 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 %;=IMMK 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 ^B<PD] uGP[l`f|FQ
ubzb kH>vD =q> file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run S<y>Y XDP6T"h 第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) qXP1Q3 w|
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w!B,kqTG @o4z3Q@ 由于波前差和因此校准的偏差更大,M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 o7c%\v[ B
c,"12 总结 ,yHzo fR]p+\#8u* 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 i_[
HcgT- 1.模拟 DJ1XNpm 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 3xmiX{1e 2.研究 d$"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!lja5[ 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"ZqA'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).
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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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