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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) eA?uny
f2r 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 Jq$_=X& %{7_E*I@n %o@['9U[j 简述案例 dK}WM46$ Pr5g6I'G 系统详情 d&|z=%9xl 光源 dP$8JI{ - 强象散VIS激光二极管 +UK%t>E8 元件 2(m85/Hr\; - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) h
`\$sT!Z - 具有高斯振幅调制的光阑 id;#{O$ 探测器 1Xy8|OFc[ - 光线可视化(3D显示) v/R[?H) - 波前差探测 l'*^$qc - 场分布和相位计算 mRhd/|g* - 光束参数(M2值,发散角) &yxNvyA[u 模拟/设计 <NG/i i= - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 q=6Cc9FN - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): e1
x^PT 分析和优化整形光束质量 4$
Dt8!p0 元件方向的蒙特卡洛公差分析 M{?zvq?d ,3Wb4so 系统说明 J~Cc9"( rv9B}%e
d/D,P=j" 模拟和设计结果 [%@2o< b?_e+:\UV
2+?T66 g 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 M1oPOC\0. q$r&4s)To
_u&>&,:q
Q
[rj Y^52~[w~ 总结 Q6"uK @j O4EEe: 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 yND"bF9 1.模拟 >i
"qMZ 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 nX0HT
)} 2.评估 !FTNmyM~F 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 s\[LpLt 3.优化 (`
5FZgN 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。 8b|OXWl 4.分析 7vn%kW=$ 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 pb!V|#u" z{S:X:X 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。 t\h$&[[l'z sI_7U^"[ 详述案例 lT2 4JhJ# X1+wX`f 系统参数 Xka<I3UD5 TZ[Zm 案例的内容和目标 1y
J5l,q 7A5p["?Z 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 BZK2$0 zuSq+pxL@
HPg3`Ul 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 |EKu2We* 之后,研究并优化整形光束的质量。 x H-X|N 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 nq"evD5 {C3U6kKs;R 模拟任务:反射光束整形设置 H`~;|6}]n 引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 62) d22 r9#
\13-
Tc6:UF &-%>qB|*
-KH)J Mp~y0e 规格:像散激光光束 `K*b?:0lp X'f.Q 由激光二极管发出的强像散高斯光束 !Uh2}ic 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 j9d!yW > _ <'D
#2RiLht L*h{'<Bz
7tNc=,x} r> k-KdS 规格:柱形抛物面反射镜 O}Hf62" {`(>O"_[Q 有抛物面曲率的圆柱镜 t42u b 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 !d,8kG 曲率半径等于焦距的两倍 O:'?n8rWL
(hB? 7Ym(n8 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) f$.?$ 7Vu ? 对称抛物面镜区域用于光束的准直 gn8|/ev 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) 4[yIOs 离轴角决定了截切区域 *>NX%by) Ej=3/RBsV 规格:参数概述(12° x 46°光束) iYJZvN #*9-d/K
0p(L' (Glr\q]jF\ 光束整形装置的光路图 T f4tj!t- zce`\ /:
Os&n 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 )@gZ;`n 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。 0v)bA}k 7a4o1;l 反射光束整形系统的3D视图 5O<>mCF N~^yL <O
K4Sk+
v 4dawg8K`9 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 1PH:\0} 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)。 i;z{zVR Bc7V)YK 详述案例 dY7'OAUyVl s 5WqR8 模拟和结果 ritBU:6 3S*AxAeg 结果:3D系统光线扫描分析 0'5/K , 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 ;G |i^ 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 6$U]9D =,y |00l file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd =( v^5 i;/xK=L 使用参数耦合来设置系统 d}'U?6ob N_eX/ux 自由参数: Fd]\txOXj 反射镜1后y方向的光束半径 7 c|bc6? 反射镜2后的光束半径 7hP<f}xL 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) Ub1hHA*) 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。 Y;4!i?el 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 bmgn cwlz Sr?#wev]rn
aNcd`
$0 r3E!dTDWq
!p TJ./ E`int?C! 自由参数: MP Z3D9 反射镜1后y方向的光束半径 j#r6b]k(Hv 反射镜2后的光束半径 ) J]9 lW&y 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) ;~fT,7qBah 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。 1 `^Rdi0
$`ZzvZ'r 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 -fhN"B) 1"Z@Q`} &Z(K6U#. 结果:使用GFT+进行光束整形 n0Y+b[+wj $mf
u:tbP
1b=lpw1} 7C#`6:tI 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 b@RHc!,>jV :w}{$v}#D; 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 hfpJ+[ JB!:JML 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 `E+Jnu,jC =qN2Xg/ 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: zp\8_ U@ w=b)({`M
DPi_O{W> X%yO5c\l2 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd BA\/YW @ HhO".GA 结果:评估光束参数 =*p/F "KcA 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。 c/c$D;T 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 N0hE4t
R$; n)_H d%l{V6 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。 ),%6V5a+E 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) oIUy -| DNGvpKY@ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd <ZU=6Hq z-M3 光束质量优化 fw ,\DFHO *~w[eH!! 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。 8~5cJPi6 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)。 KNH1#30 K (sVi\R 结果:光束质量优化 SG6sw]x E=){K 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。 [M+f-kl ~]ZpA-*@Ut
wAnb
Di{W =8U&[F 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。) Da"j E
}fp-5
^eW}XRI file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd B"%{i-v>** qzb<J=FAU 反射镜方向的蒙特卡洛公差 1q;#VS/D;H M'_9A 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 asJ)4ema T#bu
V 这意味着参数变化是的正态 *)+ut(x|# fS^!ZPe1
qCv20#!"| RT%pDym\ 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。 2h?uNW(0Q 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 {rcnM7 S1L ]9\!;Bz^J
>}(CEzc8 |HZTN" file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run Rb\6;i8R >[X{LI(_<< 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<ZE
zxp`
*OQG4aWy LzYO$Ir:g 由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 *5xJv +f[ED4E>'( 总结 k__$Q9qj( F{ELSKcp. 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 S4=R^];l 1.模拟 I* VCpaA 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 n-DVT;y 2.研究 ZY:[ekm%4Z 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 \e`~i@) ~Z 3.优化 2.d| G` 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。 w9|w2UK 4.分析 5O`dO9g}$ 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 Znetzm=0 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。 8/K!SpM*d GtwT 参考文献 Vx @|O% [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). ><=gV~7lx
TT-h;'nJ 进一步阅读 S(7ro]U9 z)uuxNv[R 进一步阅读 j^`hzh3S 获得入门视频 Wq^qpN)5Y - 介绍光路图 pC_O:f>vJ - 介绍参数运行 aH#l9kCb 关于案例的文档 oTT7M`P3h - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens p6vKoI#T - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 3"{.37Q - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing ++DG5` - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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