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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) `#?]g ! 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 \m#{{SGm !M}ZK( !:Ob3Mq\ 简述案例 k,61Va ?%*p!m 系统详情 7*>,BhF# 光源 yM*_"z!L - 强象散VIS激光二极管 0~BZh%s< ( 元件 |eK^Yhym - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) 7
lu_E.Bv - 具有高斯振幅调制的光阑 {Rq5=/b 探测器 cToT_Mk - 光线可视化(3D显示) e17]{6y - 波前差探测 Bw>)gSB5$k - 场分布和相位计算 rC6@
] - 光束参数(M2值,发散角) ,6aF~p;wI| 模拟/设计 mXI'=Vo!S - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 x{S2 - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): 9yp'-RKjw 分析和优化整形光束质量 *2
~"%"C 元件方向的蒙特卡洛公差分析 5C-XQS1 B? 9"Ztb 系统说明 u<EPK*O* =g?k`vp
T=':$(t 模拟和设计结果 c]NZGn* JG@Zb}b
;&XC*R+ 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 T3PwM2em_` V0xO:7G^
F!P,%JmI<
r-,u)zf" \pXo~;E\ 总结 + aWcK6 S}6xkX 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 E+J +fi 1.模拟 j+Q+.39s-~ 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 av~kF 2.评估 5YLc4z* 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 " : V@AT 3.优化 ~-'-<- 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。 s?PB ]Tr 4.分析 uCc5) 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 oo|Nu+
czH# ~ 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。 Px&)kEQ DS ;.)P" 详述案例 u56F;y = VMELk!z 系统参数 Nt687 AsR}qqG 案例的内容和目标 bd[iD?epD] b{;LbHq+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。 >]kZ2gVt [ ^gb6W9Y
iyr<qtwK 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Pb<6-Jc[ 之后,研究并优化整形光束的质量。 e^UUR-K% 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 |{La@X 4)Ew
rU 模拟任务:反射光束整形设置 fJ+4H4K 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。 hHgH' TWdhl9Ot
3*-!0 <DhuY/o
#JR$RH %DKC/% 规格:像散激光光束 jWso'K o)8VJ\ & 由激光二极管发出的强像散高斯光束 g\ H~Y@'{ 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 BwVq:)P/R B5[As8Sa
|}@teN^J*U d}wE4(]b
\W|ymV_Ki V-18~+F~"a 规格:柱形抛物面反射镜 E,QD6<?[ B/B`=%~5_^ 有抛物面曲率的圆柱镜 Nhtc^DX 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ?gCP"~ 曲率半径等于焦距的两倍
p4P"U z6fY_LL 1*:BOoYx 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) zUWeOR'X )"%J~:`h} 对称抛物面镜区域用于光束的准直 $|VdGRZ1 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) [-^xw1: 离轴角决定了截切区域 4wx{i6 [@ NW 规格:参数概述(12° x 46°光束) U"Y/PBs, =FQH5iSd
%K0Wm#) [_*?~ 光束整形装置的光路图 J\Tu=f) Q)5V3Q]@^
kJ)Z{hy 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 ^~s!*T)\ 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。 4W=fQx] $5DlCN 反射光束整形系统的3D视图 b]*OGp4]5 c`oW-K{
]Mvpec_B QFFFxaeJg 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 j%gle%_ 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 3~Ll<8fv HT6$|j 详述案例 NzS`s,N4/0 .&n!4F' 模拟和结果 yoM^6o^,D XJ1Bl 结果:3D系统光线扫描分析 (/ -90u 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 #P
{|7}jk
使用光线追迹系统分析仪进行分析。 EIF V14+?L file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd >uFFTik PoLk{{l3 使用参数耦合来设置系统 F:A Vik +]Ev 自由参数: 4jzjrG 反射镜1后y方向的光束半径 ^_BjO(b'e 反射镜2后的光束半径 i;\n\p1 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) {
PS0.UZ 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。 `chD*@76I 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 At&kW3( r6It)PQ
Q'YakEv >= [rz5tfMp
@S 0mNA H%0WD_ 自由参数: szD9z{9"y 反射镜1后y方向的光束半径 >` u8( 反射镜2后的光束半径 !t?5U_on 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) }|wC7*^) 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。 \uZ1Sl >u]9(o7I 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 WT}xCni lUw=YM V`G^Jyj 结果:使用GFT+进行光束整形 ^?|d< J:{ &AVX03P
V7B%o:FZo \y+^r|IL 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 Z:diM$Z?7 ULO_?4}B 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 AqHGBH0 5x!rT&!G 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 En4!-pWHQ G/_xn5XDD 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: H|/"'t
OZ /v.<h*hxWy
`/<f([w { T<[-"h file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Pfd%[C/vdm X]dN1/_ 结果:评估光束参数 #}Bv/`t gLlA'`! 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 L]l?_#*x 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 5UX- Qqr
'C @yJf -![{Zb@ 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 i8%Z(@_` M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的) r4fd@<=g n^nQrRIp file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 5C9
.h:c4y 4L r,}tA 光束质量优化 }N:QB}7'_ {fY(zHC 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 =w<iYO 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。 #%{ NOf{Xx<#k 结果:光束质量优化 %VE FruM lB7/oa1]> 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 +e#(p< \"$q=%vD
,V)hV@Dk 8E>2
6@. 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。) hMgk+4* e~nh95
Z=l2Po n file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd CY"i|s Hi U/fi` 反射镜方向的蒙特卡洛公差 IvI;Q0E-3 u3DFgl3-7 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 [hqat'Vj, ebLt:gGo 这意味着参数变化是的正态 4$4Tx9C SN`L@/I
yr)e."#S ssmJ?sl 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 (e9hp2m 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 j`_Z`eG Djf~8q V!
S<5.}c R T,B%iZ gCh file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run K
k^!P*# 3Qp6$m 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) C*Qx ,S?:lQuK5
"AIS6%, L>N)[;| 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。 r%LG>c`^ Z7Nhb{ 总结 S-brV\v7 <4^y7]]F 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 #Zn+-Ih 1.模拟 fUJe{C<H 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 p4K
8L'nZ 2.研究 - @KT# 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 luz,z(
v 3.优化 clr]gib 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。 avqJ[R 4.分析 zeH=py[n 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 2XeN E[ 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。 Y1BxRd?D 9y)}-TcSpY 参考文献 ?MiMwVR [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). |~=4ZrcCP 0JhUncx 进一步阅读 uW,rmd Tn$|
Xa+:s 进一步阅读 sB01QVx47 获得入门视频 O^R^Aw - 介绍光路图 XsMETl"Av4 - 介绍参数运行 , qhv( 关于案例的文档 /jOug>s - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ^Ux*"\/Es - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens UZE%!OWpeK - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing > 'JWW*Y! - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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