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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) fL^$G;_?3 二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 0W_olnZ ^}w@&Bje gGaA;YW1 简述案例 CpE LLA< dd+hX$, 系统详情 lfJvN 光源 aru;yR - 强象散VIS激光二极管 &i(\g7%U 元件 ?\Bm>p%+ - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) H=/ ; - 具有高斯振幅调制的光阑 u=6LPwiI 探测器 Cs!z3QU - 光线可视化(3D显示) 7@W}>gnf - 波前差探测 2_/H, - 场分布和相位计算 +YJpVxYmZ - 光束参数(M2值,发散角) MyZ5~jnr\ 模拟/设计 <`Xt?K - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 >P9|?:c - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): /f*QxNZ,p 分析和优化整形光束质量 }5Zmc6S{ 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ts:YJAu+F qWdob>u 系统说明 3(oB[9]s |j2$G~B6
E%b*MU 模拟和设计结果 nk*T
x ]lqe,>
MaS-*;BY, 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 <eh<4_<qF )KdEl9 o
"d; T1
qNuBK6E#4 z%q)}$O 总结 d)WGI
RUx S'_2o?fs 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 !hugn6 1.模拟 H3xMoSs 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 3j6Am{9 2.评估 "$I8EW/1 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ,%T
sfB 3.优化 <~bvfA= 利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 ii5dTimRJ 4.分析 l9Av@| 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。
@hF$qevX ~]Weyb[N 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。 PJ))p6
9 Ods~tM 详述案例 Krd0Gc~\|
3Viz0I<% 系统参数 x+bC\,q 8zO;=R A7% 案例的内容和目标 Tr.u'b( O~OM.:al& 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 `]I p`_{ 7PbwCRg
STL+tLJ 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Rd;^ fBx 之后,研究并优化整形光束的质量。 gl~9|$ivj> 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 E h+m|A zXW)v/
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模拟任务:反射光束整形设置 `D? &)Y 引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 gX~lYdA ~,Kx"VK
V`4/oM` &9ERlZ(A
2AXf'IOqE blKF78 规格:像散激光光束 ] 1s6= WS.lDMYE7 由激光二极管发出的强像散高斯光束 cKB1o0JsYJ 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ?/fC"MJq? V
X.9mt
g!;a5p6 Oh3A?!y#
T2_b5j3i owzcc-g 规格:柱形抛物面反射镜 iBk1QRdn @6Z6@Pq(xQ 有抛物面曲率的圆柱镜 IOY<'t+ 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 (z:qj/| 曲率半径等于焦距的两倍 GE*%I1?]
^+wA,r. +W"DN5UV 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) :{ Lihe~\ -VvN1G6.x? 对称抛物面镜区域用于光束的准直 i|xC#hV 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) ub]s>aqy 离轴角决定了截切区域 0*,]`A= GK[9Cm"v 规格:参数概述(12° x 46°光束) t]hfq~Ft +t8#rT ^B
~Kt2g\BSok #'97mg 光束整形装置的光路图 ZU;nXqjc xk7VuS*
L=gG23U& 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 !
u9LZ 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。 "}2I0tM eyy%2>b 反射光束整形系统的3D视图 L]E.TvM1* K.Y.K$NjP{
S;tvt/\!Z eMtQa;Lc9o 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 x$z>.4 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 ZyV^d3F@$ +o]J0Gu 详述案例 P} w0= x b!&'cw 模拟和结果 23X-h#w Q!(qb 结果:3D系统光线扫描分析 BD [<>Wm 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 |(=b 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 #&Rx?V [*g'Y;W file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd H-3*},9 yJdkDVxYr 使用参数耦合来设置系统 \eXuNv_ h#Z~x 自由参数: i^)JxEPr w 反射镜1后y方向的光束半径 =3=8oF x8 反射镜2后的光束半径 >VJ"e` 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) ,U>G$G^ 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 1aezlDc* 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 7>3+]njw ^@<Ia-x
SmV}Wf (8(P12l
'M
fVZho{ HE-ErEtGB 自由参数: 'OU`$K7n 反射镜1后y方向的光束半径 *JO%.QNg 反射镜2后的光束半径 F#z1 sl' 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) n`D-?]* 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。 e"ClG/M_XS ]) #?rRw 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 rnC<(f22 7! ~)a 1cV0TUrz 结果:使用GFT+进行光束整形 b@B\2BT zANsv9R~
sqO$ka{ ZeH=]G4Zv7 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 T/tC X[} I=;=;- 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 B-wF1!Jv vb$i00? 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 "YN6o_*] #KDN 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: Ci?RuZ" ,#hNHFa'JH
< fYcON fo e)_ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd n66b(6"mO2 [jTZxH< 结果:评估光束参数 ooj^Z%9P E0eZal], 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。 EE*FvI` 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 >[g.8'hI
CIQ9dx7> <o@__l. 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。 W,.Exh 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) R4_3 _3{8Zg file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd C^!~WFy v>5TTL~? 光束质量优化 [pz1f!Wn b7HT<$Wg 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。 5Z[HlN|-! 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)。 B~%SB/eu $HAwd6NI 结果:光束质量优化 NYPjN9L ,P X7}//X^ 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。 ;JX2ebx z=TuUl@
JR|P]} Agwl2AM5k 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。) L/,M@1@R tw<}7l_>Au
>t4<2|!(M file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd D;Y2yc[v Kp[5"N8 反射镜方向的蒙特卡洛公差 H4BuxM_r GX N:= 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 1Ch0O__2L qcfg 55]'c 这意味着参数变化是的正态 }LX.gm cLIeo{H
.FvIT]k- Olr'n% } 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。 S>R40T=e 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 \ZC0bHsA ^F-AZP
/5F
$~T|v7Y% nW ]T-! file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run Cp#}x1{ uC"Gm;0 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) dEfP272M ?IR+OCAA
K# h7{RE cFoeyI# v 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。 _j]vR =@.5J'! 总结 "=UhTE R'aA\k- 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 $3(E0\#O 1.模拟 0fx.n 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 D#11
N^-K 2.研究 3_Mynop 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 uD:tT~ 3.优化 ;uqi 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。 m"vWu0/# 4.分析 n ZzGak 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 %&iWc_" 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。 (?z"_\^n/ 2bTM0- 参考文献 6{2 9cX. [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). }?Tz=hP eX o@3/ 进一步阅读 } BnPNc[I yu=(m~KX
进一步阅读 Xl/2-'4 获得入门视频 9S{0vc/2@ - 介绍光路图 trL8oZ6 - 介绍参数运行 h\*I*I8C 关于案例的文档 2%@<A - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens nPjN\Es6 - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens FMAt6HfU - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 8z*/J=n - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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