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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) 12PE{Mut 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 1Kh?JH sOxdq"E -HsBV>C 简述案例 w)eQ'6Vu y+scJ+< 系统详情 aTh%oBrtP 光源 H27Oq8 - 强象散VIS激光二极管 OZ;E&IL 元件 JX)z<Dz$ - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) $JB:rozE - 具有高斯振幅调制的光阑 G`#gV"PlC 探测器 DiQkT R - 光线可视化(3D显示) e-cb?.WU? - 波前差探测 pInWKj[y1 - 场分布和相位计算 ;]M67ma7C - 光束参数(M2值,发散角)
_O;~
}N4u 模拟/设计 O|&TL9: - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 '%!M>rY, - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): OPY/XKyY, 分析和优化整形光束质量 W:poUG1UR 元件方向的蒙特卡洛公差分析 d+2O^of:T 0bxvM 系统说明 `VFl|o#H f5GR#3-h(
[a)~Dui0@\ 模拟和设计结果 @
KPv&UB mjl!Nth:<
3d'ikkXK 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 a^T4\ X_({};mz
;]ShC\1
sR>;h / N"x\YHp 总结 ) .-(-6=R O mh&)|Iql 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 !bV(VRbu 1.模拟 ]<;i}n|
< 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 7k t7^V< 2.评估 :IT U0%;!+ 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ~:}XVt0%8 3.优化 \m~\,em 利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 y5Wqu9C\Io 4.分析 ckjVa\ 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 %cr]ZR aH PSnB& 对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 v*'iWHCl, Ul713Bjz 详述案例
~\:j9cC zj$_iB`9 系统参数 dI
ZTLb"a KYRm
Ui# 案例的内容和目标 -6~dJTm[t svq9@!go 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 K]pKe"M >,"D9!
v_ nBh,2 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ^Q)gsJY|I 之后,研究并优化整形光束的质量。 [rUh;_b\D 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 n#^?X zsMw5C 模拟任务:反射光束整形设置 jRdhLs,M9 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。 A D}}>v hKH$AEHEU}
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#+b> a._^E/EV
Y0L5W;iM =wlm 规格:像散激光光束 >0<KkBH bco[L@6G$ 由激光二极管发出的强像散高斯光束 8MeO U 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 S QM(8*:X *t?~)o7
"x.6W! .,ppGc|*
v`_i1h9p{ wHt#'`5 规格:柱形抛物面反射镜 0x]OF8=J ){Ciu[h 有抛物面曲率的圆柱镜 !rsa4t@t 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 (ifqwl62 曲率半径等于焦距的两倍 TJyH/C ET,0ux9F \C+*loLs 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) ^z *):e u8<&F`7j 对称抛物面镜区域用于光束的准直 PQU3s$ 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) 9+'@ 离轴角决定了截切区域 o%/-5- S6Xb*6 规格:参数概述(12° x 46°光束) &Hlm{FHU +#-kIaU
g:uvoMUD SLQ\Y%F 光束整形装置的光路图 B8cBQ v B@"SOX
;o-\. =l 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 |5}rX!wS4 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。
JVUZ}#O xf V,==uF 反射光束整形系统的3D视图 08Pt(kzNA 7x[LF ^o
v+!y;N;Q
]k::J>84 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 SE,o7_k'S 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)。 .%x"t>] Sc;iAi
( 详述案例 fV.A=*1l# DEUd[ 模拟和结果 ill-%OPeg sorSyuGr 结果:3D系统光线扫描分析 Q vv\+Jp^ 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 qYgwyj=4 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 [+g( /v}P)& file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd a)3O? Y NLcO{ 使用参数耦合来设置系统 lv<iJH\
2Ueq6IuQ 自由参数: JCcN>DtP 反射镜1后y方向的光束半径 ]}mly`Fw 反射镜2后的光束半径 iGG6Myp- 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) M!eoe5 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。 (v|r'B9b 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 UJee&4C-y d&}pgb-Md
[D*J[?yt Vk MinE
^=eq .(> Wmz q 自由参数: NoFs-GGGh 反射镜1后y方向的光束半径 Z~r[;={, 反射镜2后的光束半径 (H&@u9K?a? 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) hnp`s%e, 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。 zq,iLoY[R [leW/2i 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 C>*5=p|T 'M~BE\ IZv~[vi_ 结果:使用GFT+进行光束整形 -Qg
2qN2{ iLF^%!:X%
~R :<Bw c5X`_ 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
@bY('gC, VLf
g[*k 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 g d z ;*y|8od
B 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 X Y~;)<s_ S3SV.C:z> 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: Y8)}PWMs {*N^C@
'dkXYtKCB Y.q>EUSH file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd }KK2WJp#M XR|"dbZW.0 结果:评估光束参数 {I`B[,* Q(lku"U' 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。 Ee&hG[sx 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 OQ6sv/
tC2N>C[N p?;-!TUv 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。 s0r"N7~ 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) BEln6zj Xad*Iulj file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd g]za"U|g [_h%F,_ A 光束质量优化 ]$3+[9x' ^Z2kq2}a 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 x"vwWJNQ 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。 'V&2Xvl% ,E&Bn8L~O 结果:光束质量优化 NUMi])HkN
;;@IfZ ?j 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 eK9TAW Qu`n&
r:-WzH(Ms 3wZ(+<4i 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) X:Q$gO?[4 Rvvh{U;t
L!g DFZr file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd cS}r9gaQ [G a~%m 反射镜方向的蒙特卡洛公差 27>a#vCT @&5 A&( 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 :7\9xH PRD_!VOW 这意味着参数变化是的正态 +3Y!xD?= H>?F8R_iq
_9NVE|c; {7X#4o0 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。 8Y#bN*! 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 "<*awWNI .B>B`q;B
^n9a" qz 5@ foxI file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run M-Y0xWs x5OC;OQc 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) Tr&E4e L,~MicgV
VFO\4:. &!jq!u$( 由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 oEu>}JD ~GG?GB 总结 <qhBc:kc [T`}yb@ 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 S5_t1wqBJ 1.模拟 Qw?+!-7TN 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Q.k
:\m*h 2.研究 JDv-O&] 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 pUCK-rL 3.优化 iCTQ]H3 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 MdC<4^| 4.分析 iq6a|XGi 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 9cd 8=][ 可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 e7xj_QH |;u}sX1t9 参考文献 =Ikg.jYq&F [1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). f-g1[!"F R#(G%66
进一步阅读 o2=A0ogz? gLQ #4H
进一步阅读 3]U]?h 获得入门视频 F98i*K`" - 介绍光路图 [$a<b/4 - 介绍参数运行 PJgp+u< 关于案例的文档 Bux'hc - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 8$vK5Dnn8 - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens :eOR-}p' - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing u@=?#a$$ - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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