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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) ua['rOnU 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 3:rH1vG.m #zcp!WE.OI .,K?(O4AY 简述案例 =GQ?P*x|$ W
9Z.X!h 系统详情 G6zFCgFJ^y 光源 [)`9euR% - 强象散VIS激光二极管 BEM+FG 元件 .~a) - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) Q^v8n1 - 具有高斯振幅调制的光阑 j\nnx8`7 探测器 rbnu:+! - 光线可视化(3D显示) FeS6>/ - 波前差探测 N1Y*IkW" - 场分布和相位计算 [Bp[=\ - 光束参数(M2值,发散角) %HuQc^ 模拟/设计 [&rW+/ - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 :y'D] ,_ - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): 2I:vie
分析和优化整形光束质量 twx8TQ9 元件方向的蒙特卡洛公差分析 "w`f>]YLA &L-y1'i=j 系统说明 \PzC:H Z{/C4" F
^Y xqJy 模拟和设计结果 gv;=Yhw.c 0x0.[1mB
!+ IxPn 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 3Fh<%<= qTiUha9
pi5Al)0
dH!k{3bL b]mRn{r? 总结 "8Pxf= "Q+'lA[} 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 1z~;c| 1.模拟 6(oGU4 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 Ydmz!CEu 2.评估 x}1(okc 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ~sAINV>A 3.优化 @?K(+BGi 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。 sEdWBT 8 4.分析 m0F-[k3) 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 [j}%&$ .F)b9d[? 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。 vsoj] R$C 8ne'x!1 D 详述案例 %M9^QHyo@
W1y,.6 系统参数 622mNY v{=-#9-4
& 案例的内容和目标 I]Wb\&$ "SyyOD
)WA 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 VQ<Z`5eV "C=HBJdYB5
pWps-e 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 c.&vWmLSGE 之后,研究并优化整形光束的质量。 8c__ U< 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 u|8`= ;'tsdsu} 模拟任务:反射光束整形设置 I|9e4EX{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。 C(iA G :":W(O
&J"a` l2 zK:/
1
$z@e19g T V%ykHo 规格:像散激光光束 orzdq N4fuV?E` 由激光二极管发出的强像散高斯光束 <ze'o.c 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 7GK| A{r w=#&(xm0
Q1&: +7% >PySd"u
f^%vIB ~[ 3O#7OL68v 规格:柱形抛物面反射镜 [(btpWxb^ Q
`E{Oo, 有抛物面曲率的圆柱镜 ~01rc 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 gdCU1D\ 曲率半径等于焦距的两倍 &,$A7: `i{o8l 'd6hQ4Vw4 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) 8`u#tl( 'Fc&"(!|| 对称抛物面镜区域用于光束的准直 8<.KWr 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) $yCj80m\ 离轴角决定了截切区域 O=mGL %&gx@ \v 规格:参数概述(12° x 46°光束) lc5NC;JR ;WGY)=-gv
Vx0V6{JX bQ
.y,+ 光束整形装置的光路图 /#,<>EfT 4&|9304<H
cPS!%?}I 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 8u+ (+25 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。 Rf%ver ~Kb(`Px@ 反射光束整形系统的3D视图 slQKkx \Dn n.A[Z
9d2$F9]:o MESQAsx% 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 M6X f}> 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)。 Rwy:.)7B$q 'GW@P 详述案例 R
jAeN#,?
{'r*Jb0 模拟和结果 41C=O@9m CyXcA;H,. 结果:3D系统光线扫描分析 mU\$piei 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 A6UtpyS*' 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 <XLATS8Y }'X}!_9w> file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd foJ|Q\Z,T 1MV^~I8Dd 使用参数耦合来设置系统 m=}kGzIY4 d+^4;Hv4 自由参数: i&bttSRNV 反射镜1后y方向的光束半径 z+\>e~U6J} 反射镜2后的光束半径 !.w S+ 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) !*\^-uvaK 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。 ?3zx?>sG 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 mV4} - `/|=eQ")o@
=oHJ_ h|-r t15
(PB|.`_<H [%h^qJ 自由参数: 0<Pe~i_= 反射镜1后y方向的光束半径 .#}SK!"B 反射镜2后的光束半径 5GRN1Aov< 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) $jntT(V 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。 Y}WO`+Vf5 4^i*1&" 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 lq9c2xK X:!%"K%} gT+/CVj R 结果:使用GFT+进行光束整形 |LjCtm)@+
:?^(&3;
woR)E0'qx cCj3,s/p 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 dZYS5_wr $zbg 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 odhgIl&u ?IWLl 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 i &KbzOY XH*^#c 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: mee-Qq:} n/8fv~zU
o^NQ]BdH8
9wwvh'T&NK file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd !eO?75/ ofi']J{R 结果:评估光束参数 =o-qu^T^u >/n/n{{ 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 Vw#07P#A 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 2Hd6
|On6?5((e c8Opc"UE 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 |_rj12.xo M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的) m|y]j4 K0#tg^z5d file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd z/TZOFaM iVl"H@m/ 光束质量优化 IrVeP&KM+ _Yhpj}KZ 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 - Z|1@s& 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。 nOB
]?{X 1jF}g`At 结果:光束质量优化 ywdNwNJ %NBD^gF 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 D"Xm9
( K0v,d~+]
2sTyuH. {u1t.+
然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) ?|L)!LYx V&>7i9lEz
C&SYmYj^c file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
r({(; GphG/C ( 反射镜方向的蒙特卡洛公差 9X(bByEO YnMph0\Y^ 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 F0yh7MItV H;CGLis 这意味着参数变化是的正态 _Nj;Ni2rD +:t1P V;l
Fivv#4YO Vr^wesT\Hx 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 f+1]#"9i| 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 {P]l{W@li 3Q#VD)
7~65 @&P> wVPq1? 9 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run e^FS/= s810714 第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) ,aN/``j= x?%vqg^r
/yOd]N;$ dfrq8n] 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。 -py.YZ kSJWQ 总结 hZFbiGQr\ %mq]M 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 @M,_mX 1.模拟 4j | vzyc 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ZNUV Bi 2.研究 5P! ZJ3C 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 +F/ '+ 3.优化 tQ)8HVKF 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。 kgQEg)A]!x 4.分析 +-oXW>`& 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 b+C>p2 % 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。 D( _aXy )rXP2Z 参考文献 $DMeUA\av [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). Y,8M[UIK F|PYDC 进一步阅读 s<5t}{x :4WwCpgz, 进一步阅读 W w8[d 获得入门视频 qBpY3]/ - 介绍光路图 uwIZzz
- 介绍参数运行 =HSE 关于案例的文档 (YR] X_ - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ]y(#]Tw\ - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 9(iJ=ao ( - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 7' 6m;b~F - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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