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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) p&doQh 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 <!XnUCtV sn`?Foh HcS^3^Y 简述案例 !O_^Rn+<2 >(KUYX?p 系统详情 Yx c >+mx 光源 y+R$pzX - 强象散VIS激光二极管 sswAI|6ou 元件 o;I86dI6C - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) 6.=1k - 具有高斯振幅调制的光阑 8^i,M^f^{ 探测器 oioN0EuDk - 光线可视化(3D显示) oD1=} - 波前差探测 tO3B_zC - 场分布和相位计算 wk/U"@lq - 光束参数(M2值,发散角) ED&KJnquWJ 模拟/设计 RVy 87_J1 - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 <_uv!N - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): {z
~
' 分析和优化整形光束质量 SYLkC
[0k 元件方向的蒙特卡洛公差分析 U<byR!qLie o|E(_Y4d 系统说明 .sMi"gg 5X|aa>/
,W;8!n0 模拟和设计结果 1nG"\I5N} RlIqH;n
;%9ZL[- 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 Ia"
Mi+{ hV>Ey^Ty
13
p0w
NPab M(<` 36UWoo 总结 v>l?d27R ,aL"Wy( 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 w=2X[V} 1.模拟 Pfy;/}u^c 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 |REU7?B 2.评估 k Er7,c 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 CKgyv%T5m: 3.优化 !OemS7{ 利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 {.W%m 4.分析 I!~Omr@P 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 qILr+zH 2N#L'v@g=+ 对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 _~"3
LB =z.AQe+ 详述案例 'KG`{K$ e&nw&9vo 系统参数 G9Ezm*I;: %VZ\4+8S 案例的内容和目标 L.[2l Q 9!h+LGs(, 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 vkLG<Y Sj+#yct -
oQO3:2a 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ~46ed3eGzi 之后,研究并优化整形光束的质量。 huE#VY
/t 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 uqH;1T;s v-qS 'N4 模拟任务:反射光束整形设置 .=S{ 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。 -B!pg7>'## A 78{b^0*
i"@?eq#h 2(|V1]6D?
[g_@<?zg __ [q` 规格:像散激光光束 FSk:J~Z; 3ji#"cX 由激光二极管发出的强像散高斯光束 DTY=k 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 @P>@;S z=sqO'~
*V}}3Degh )Ec;kr b+
(;3jmdJhK $?YkgK 规格:柱形抛物面反射镜 ^C{a' wv$=0zF 有抛物面曲率的圆柱镜 ohl%<FqS 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 +TX]~k79Oq 曲率半径等于焦距的两倍 /k,p]/e VTdZ&%@
}e$);A| 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) S3m+(N" & E {MSi" 对称抛物面镜区域用于光束的准直 <LE>WfmC 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) ZmDr$iU~ 离轴角决定了截切区域 5P4>xv[ sAxn
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` 规格:参数概述(12° x 46°光束) Jor?;qo3 4^5s\f B
Z3d&I]Tf $H}Q"^rs 光束整形装置的光路图 h4CB1K d=pq+
8b/yT4f 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 ^]kDYhe*Y 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。 ;Baf&xK $f%_ 4 = 反射光束整形系统的3D视图 6S(3tvUr f &H`h
uf6{M_jXZ K;Ktx>Z/ 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 S}+n\pyQ 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 ^t*BWJxPC +W}f0@#)< 详述案例 0|cQx
VJb Qk6FK]buV 模拟和结果 #q-t!C%E _%x|,vo`( 结果:3D系统光线扫描分析 C1_NGOvT 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 B:l(`G 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 4-o$OI> Sb<=ROCg@ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd n V<YwqK ]ba<4:[Go 使用参数耦合来设置系统 -Fb/GZt| i9\Pks#l% 自由参数: Z7(hW,60 反射镜1后y方向的光束半径 %n(
s;/_ 反射镜2后的光束半径 r6A7}v 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) iU &V}p 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。 kn!J`"b 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 9QpKB
c p7z#4 GW
#2pgh? 2oNlQiE_
ZnQnv@{8l 6D$xG"c 自由参数: twJck~l~n 反射镜1后y方向的光束半径 Axr'zc 反射镜2后的光束半径 P)T:6K 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 5K8\hoW{ 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。 i'a M#4V X/@Gx 4 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 hM;E UWv N@k:kI {r Gx*<e 结果:使用GFT+进行光束整形 $jm'uDvm W?.Y%wc0
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vgqf>)kk 7n#0eska, 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 1j}o.0\ /GEqU^
B 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 IqmavnM# sR5dC_ 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 _yU
e2Gd t]Vw`z%G 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: t hS#fO4]d P afmHXx
aFhsRE?YC= sO6+L
#! file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd %F03cI, D@mDhhK_ 结果:评估光束参数 O^LzS&I*
keX0br7u_ 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 ak<?Eu9rV 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 7^S &g.A
3?2;z+cz*u gbo{Zgf< 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 J)*y1 M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的) w^dB1Y7c(W U,)+wZJ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd dlyE2MiL: .Yo#vV 光束质量优化 -OoXb( I4 anv_I= 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 (xq25;|Y 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。 pS51fF9 ~bgFU 结果:光束质量优化 V<+d o|@F jo+T!CUM' 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 HAP9XC(F] qxk1Rzm?x
D_'Zucq e-x{7 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) VYvHpsI Rg+V;C
C~
g(|p/%H file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd P oC*>R8 i_ I`Y 反射镜方向的蒙特卡洛公差 u2o6EU` s}UPe)Vu 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 RKRk,jRL RfFeAg,]/ 这意味着参数变化是的正态 Ws'3*HAce R$wo{{KX
ig3uY# H2[S]`? 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。 pvkru-i] 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 ^?w6 0lY.z$V
!c'a<{d@ 'd'*4 )]k file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ,C!MHn^$ ,}F{V>dhn 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) Y[@$1{YS #*XuU8q?
|Kh#\d J!~?}Fq/z 由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 pv;}Sv$
]- D<C ZhYJ 总结 [iB`- dE, Qgf\gTF$r+ 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 g/J
^YT! 1.模拟 PG+ICg 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 e\tcP 2.研究 !Zlvz%X 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 x)5#*Q 3.优化 e%u1O-* 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 \k;*Ej~. 4.分析
ze{ 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 ="JLUq*]s 可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 ldO6W7G|h Ws{2+G~ 参考文献 d>VerZZU [1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). xOp8[6Ga' BMgiXdv.B 进一步阅读 R^{Ow t,)`Zu$ 进一步阅读 H3nx8R$j]( 获得入门视频 3mIVNT@S9 - 介绍光路图 BRhAL1 - 介绍参数运行 cL?FloPc* 关于案例的文档 7&DhEI ^ - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens .r[kNh@
b% - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ~kj1L@gy - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing !/[/w39D0o - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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