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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) YxtkI:C? 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 H n!vTB .zAafi0 ;iORfUjxrq 简述案例 Zd(d]M_x S1zw'!O5 系统详情 :'dc=C 光源 0X?fDz}jd - 强象散VIS激光二极管 I.u,f:Fl' 元件 0tqR wKL - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) Z]S0AB.Z@ - 具有高斯振幅调制的光阑 _cw^5 探测器 %~5Q^3$O - 光线可视化(3D显示) `fkrik - 波前差探测 #P-HV - 场分布和相位计算 !5OMAWNU@ - 光束参数(M2值,发散角) |I}+!DDuv 模拟/设计 Kk9 8FI0] - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 .:ZXtU - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): arLl8G[ 分析和优化整形光束质量 8~)[d!' 元件方向的蒙特卡洛公差分析 |2<f<k/UT 0:Y`#0qK 系统说明 G
r|@CZq -NPkN%h
N`Xnoehu 模拟和设计结果 $JB:rozE :3>yr5a7-
IA`8ie+ 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 b2=Q~=Wc /C"s_:m;3
]GtR8w@w
DsW`V~T PBs<8xBx^ 总结 IaTq4rt *@arn Eu 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 y}-S~Ov>I 1.模拟 EjX'&"3. 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 [a)~Dui0@\ 2.评估 @
KPv&UB 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 mjl!Nth:< 3.优化 ]az}
n(B, 利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 ;9 &1JX 4.分析 06@0r 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 T7,Gf({ ~`>26BWQz 对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 c^Gwri4 .(dmuV9 详述案例 ?*R^?[ 4Eh BpTg
系统参数 Q xF8=p DET!br'z5 案例的内容和目标 h NOYFH x\bR j>%( 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 F}B/-".^ 9poEUjBI
v*'iWHCl, 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 /IJ9_To 之后,研究并优化整形光束的质量。 Z:Y.":[
Qi 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 Kpp*^ ilRm}lU|x 模拟任务:反射光束整形设置 C|d!'"p 引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 tD~PvUJ >_0 i=.\
zUEfa!#? [%iUg\'7d
KG-k$glD G\:psx/ 规格:像散激光光束 Z:o
86~su ;c
m wh< 由激光二极管发出的强像散高斯光束 rGn5QV 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 _czbUl QK3j_'F=E
nhQ44qRgQ Gx h~
w-'D*dOi 3dX=xuQ%/ 规格:柱形抛物面反射镜 Ef_F#X0# (|36!-(iK 有抛物面曲率的圆柱镜 ^!o1l-Y^gr 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 csFJ5 曲率半径等于焦距的两倍 kHJDX; /_:T\`5uO SZK)q 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) K?FX<PT _8x'GK
tU 对称抛物面镜区域用于光束的准直 A^4kYOe 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) *m| t=9E 离轴角决定了截切区域 !rsa4t@t y=oVUsG 规格:参数概述(12° x 46°光束) \2].|Mym u8<&F`7j
ebO`A2V'( }rKJeOo^x? 光束整形装置的光路图 yUD_w _>gXNS r4u
+(=0CA0GE 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 :_o] F 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。 v9t47>V y~==waZw 反射光束整形系统的3D视图 >/!7i3Ow- hs!UX=x|
6Q.{llO
JVUZ}#O 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 xf V,==uF 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)。 08Pt(kzNA ih+*T1#:( 详述案例 dN]Zs9] {[M0y*^64$ 模拟和结果 .6O52E KMxNH,5 结果:3D系统光线扫描分析 3~[`[4n^ 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 4|zdXS 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 )K>Eniou P3>..fhoW file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd lj
"Z Q(~3pt 使用参数耦合来设置系统 /~o7Q$)-b TIcd
_>TW 自由参数: w?]ZU- 反射镜1后y方向的光束半径 z+3<$Z 反射镜2后的光束半径 j!zA+hF( 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) ]dPVtk 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。 &\;<t,3A~ 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 2-vJv+- '}U_D:o.b
y-w2O] `ir&]jh.A
*'UhlFed U0NOU# 自由参数: zW*}`S" 反射镜1后y方向的光束半径 0Y2\n-`z 反射镜2后的光束半径 eV[`P&j_C 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) =)(3Dp 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。 xN#bzma t{/hkXq] 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 <Vz<{W3t eq^TA1>T [8,PO 结果:使用GFT+进行光束整形 H7{Q@D8 |ZS 57c:
YS]>_ 5;X {.2 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 UH5w7M PV?]UUc'n< 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 w-
UKMW9" {F'Az1^I= 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 U{7 3Xax ;knd7SC 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: 'dkXYtKCB +IG1IF
i\(\MzW*'
M{]e5+ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd .
3GnZR,L kGpV;F==* 结果:评估光束参数 plK=D#) pJd 0k"{ 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。 :bwM]k*$ 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 ?$3r5sx
4py(R-8\ Y5HfN[u^7 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 (YIhTSL"] M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的) HeCcF+ :v`o6x8 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd PfyRZ[3)c +L0J_.5%^ 光束质量优化 [#0Yt/G QjLji+L 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 !(Q l)C 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。 UV4u.7y h}avX*Lx_ 结果:光束质量优化 5^>n5u/ ):krJ+-/y 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 i`+B4I8[ 1 o|T
hm3jpWi8 k5a\Sq} 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) ?yp0$r/ 9mQ#L<Ps
B
s,as file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd :lK4
db {DT4mG5 反射镜方向的蒙特卡洛公差 &s:=qQa1 B20_ig: 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 Vu[:A 84'?um 这意味着参数变化是的正态 71O3O7 }kE87x'
|6%.VY2b j5\$[-'; 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。 XvskB[\ 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 L~dC(J)@ZI |z~LzSJv
^Gq5ig1rxy 5 [4Z=RP file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ^YKy9zkTl RZO5=L9E 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) f jI #- H0a-(
F6W}mMZH/N x l0DN{PG 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{Tq%\a3 f7J,&<<5w 总结 r~8;kcu7 `U{mbw, 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 j
F5Blc 1.模拟 6`e@$(dfA 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ;u-4KK 2.研究 v[ ,Src 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 O6c\KFBSJ 3.优化 iS: #o> 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 QZYU0;
VF 4.分析 (4+1lOd 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 oyeG$mpg 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。 _m'ysCjA n Wgv~{,x 参考文献 &O1v,$}' [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). +x1/-J8_sg h4`9Cfrq , 进一步阅读 %}qbkkZ t_c?Wp~tH 进一步阅读 ef]B9J~h 获得入门视频 }T(z4P3 - 介绍光路图 r0\f;q - 介绍参数运行 &RY | |