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2016-11-13 21:47 |
VirtualLab运用:反射光束整形系统
光束传输系统(BDS.0005 v1.0) ~/hP6* 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 "S^;X
@#v ]`y4n=L. WFg'G>* 简述案例 ~^IS{1 PS@`
=Z 系统详情 #Qy*zU#9 光源 O.1Z3~r-N - 强象散VIS激光二极管 `96:Z-!} 元件 >)U 7$<&b - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) >OwVNG - 具有高斯振幅调制的光阑 *#frbV?; 探测器 7Z"mVh} - 光线可视化(3D显示) W<B8P S$ - 波前差探测 >u~ [{(d , - 场分布和相位计算 Cfb/f]*M - 光束参数(M2值,发散角) *n2Q_o 模拟/设计 z(3mhMJY - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 EH] 5ZZ[Z - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): sN7I~ 分析和优化整形光束质量 =6q?XOM 元件方向的蒙特卡洛公差分析 Y1Bj++?2 7vcYI#(2
Y 系统说明 )AqM?FE4R ,ibI@8;#~'
]ODC+q1 模拟和设计结果 EUe2<G 0;3;Rs
C_PXh>H]' 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 J~DP*}~XK _$wWKJy9
<k5FlvE2
]<4Yor}t{; E[t\LTt*n 总结 N*lq)@smq #:vos VqG 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 M`KrB5a+6 1.模拟 vP3Fb;
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 %7O`]ik: 2.评估 fmA&1u/xMs 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 H[<"DP 3.优化 u|WX?@\ 利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 ;MCv 4.分析
7l7eUy/z 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 /+sn-$/"i t_3)} 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。 GfJm&'U& mh.0%
9`9 详述案例 }9:\# L,waQk / @ 系统参数 KHcfP7 E`XUK,b 案例的内容和目标 e1}h|HLj Rr4r[g# 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 +tdt>)a idPkJf/
t{!}^{
"5 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 27t:-O 之后,研究并优化整形光束的质量。 ;r-
\h1iA' 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 !F;W#Gc '8i
np[_ 模拟任务:反射光束整形设置 #g{ZfO[# 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。 W5_t/_EWD }.o
rfW
yXppu[= `8xe2=Ub
:8E(pq|1PB +%?_1bGX> 规格:像散激光光束 0}PW?t76 l0tMdsz 由激光二极管发出的强像散高斯光束 4rwfY<G 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 /r[0Dw sUfH1w)0
uzho>p[ae twNZ^=S Gr
aMZ6C <N l]T|QhiVd 规格:柱形抛物面反射镜 &Zd{ElM Q++lgVh)E 有抛物面曲率的圆柱镜 zg)Z2?K|;u 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 C%}FVO\c 曲率半径等于焦距的两倍 ["MF-tQ5 rbO9NRg> 9i yNR! 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) ~hE"B)
e #kA/,qyM 对称抛物面镜区域用于光束的准直 s7(mNpo 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) =6ZZ/+6b 离轴角决定了截切区域 vs7Hg)F }4#%0x`w 规格:参数概述(12° x 46°光束) 3PpycJ} %$`pD
I )
d01bt$8> V. =! ^0'A 光束整形装置的光路图 EXS
1.3> BtVuI5*h
"CT'^d+ 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 +QtK
"5M 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。 jGb+bN5U7 K> lA6i7? 反射光束整形系统的3D视图 c[3sg ,Tvk&<!0
$ze%!C dF5EIPl;J 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 qg'RD]a> R 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 B r`Xw^S deQ0)A 4g 详述案例 xl5mI~n_~ Z8z.Xn 模拟和结果 iNe;h| QuT8(s1Q! 结果:3D系统光线扫描分析 r[q-O&2& 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 ">v76%>Z7 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 \WQ\q
\ :~~}|Eu file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 8l~]}2LAs _o'ii
VDuD 使用参数耦合来设置系统 |bQKymS Xg^`fRg =T 自由参数: ;8'hvc3i$ 反射镜1后y方向的光束半径 5 qt]~v%y 反射镜2后的光束半径 )U`6` &F 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) E<:XHjm 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。 W.r0W2))( 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 $k,Z)2 *l)_&p
kl?U2A.= l<ag\ d
r?nvJHP |cEJRs@B 自由参数: -Ds}kdxw 反射镜1后y方向的光束半径 [ %cW ?@ 反射镜2后的光束半径 ZNuz%VO 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) zq>pK_WG 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 |F=!0Id< +0{m(%i 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 !TA6- ]1 TD'Rv Tpl Q>8F&p?R 结果:使用GFT+进行光束整形 /x c<& 5z~rl}`v
'Ybd'|t{} '-oS=OrZ 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ,)TtI~6Q 12`q9Io" 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 i,r O3Jn )h]~<
fU 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 0"ksNnxK {Fs}8\ z 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: VgD z:j )_k"_VVcC
29("gB tJ>%Xop file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Uy2NZ%rnt *1"xvle 结果:评估光束参数 4y\qJw)~U UCG8=+t5T 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。
o=}}hE\H 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 +;^UxW
x)N$.7'9OJ [EI~/#; 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。 :)o 4fOJ8 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) qB6@OS Jmrs@ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd nr7#}pzo I
L]uw 光束质量优化 5b> -t#N, QK% Nt 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。 R[KF${X4 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)。 Fa<>2KkOr 4wYD-MB 结果:光束质量优化 /kV3[Rw+ 8X Jg 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。 \d"JYym )4:K@
\|e>(h!l; lS@0 $ 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。) \ #<.&`8B <;Q1u,Mc
W>f q 9 file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ^*sDJ # z=mH\! 反射镜方向的蒙特卡洛公差 loRT+u$& ?tzJ7PJ~B 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 I(^pIe- #b~B
0:U 这意味着参数变化是的正态 ot\ FZ K[wny0 (
T_t5Tg~i[N (V&5EO8) 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。 :ohGG ,`Dh 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 LSewMj yS#)F.
6/-] G47(LE"2b file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 9NF2a)&~ F/pq9 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) ,+w9_Gy2H C@x\ZG5rA
1Vf?Rw /80H.|8O 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。 YnR8mVo5Q $4>(} 总结 1O#]qZS}] CdBpz/ 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 vEy0DHEE 1.模拟 Wd`*<+t] 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 yq H 2.研究 V}3'0 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 n[S-bzU^t 3.优化 * 'eE[/K 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。 R*[X. H 4.分析 yv[3&E? 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 uzoI*aqk-s 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。 dU}Cb?]7s p9>{X\eT: 参考文献 3Pu8IXW [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). QhhL_vP
]z5k YU& 进一步阅读 n~"qbtp} oACbZ#/@n 进一步阅读 awXK9}. 获得入门视频 !dQmg'_V - 介绍光路图 e{EC#%x_ - 介绍参数运行 A%[e<vj9 关于案例的文档 4,,DA2^! - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens zqHG2:MN" - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens \gsJ1@ - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 4 s
s 4O - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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