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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) ]~?k%Mpw 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 m6 hA,li W:(:hT6`j9 pal))e!B 简述案例 N#7 ]xL eoEb\zJ 系统详情 C| Mh<,~E 光源 f@LUp^Z/v - 强象散VIS激光二极管 ^{6Y7T] 元件 >=U$s@ - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) Xid>8 - 具有高斯振幅调制的光阑 /4_}wi\ 探测器 ljiq +tT - 光线可视化(3D显示) <ya'L& - 波前差探测 H5&>Eny - 场分布和相位计算 7[D0n7B@ - 光束参数(M2值,发散角) tH_#q"@) 模拟/设计 44%H? ,d - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 u`bWn - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): GK&yP%Z3 分析和优化整形光束质量 {q}:w{x9u 元件方向的蒙特卡洛公差分析 Ku&(+e {_q2kk 系统说明 uXhp+q\ e\yj>tQJg
U">OdoZ,E+ 模拟和设计结果 xje{kx# aNqVs|H
Lvp/} /H/ 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 r#Pd@SV Ce:R
p?
F)gL=6h
iGha pD L1F){8[ 总结 E_H1X'|qS4 qS2%U?S7 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ?0?' 1.模拟 c<H4rB 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 I7uYsjh@u 2.评估 ko5\*!|:lj 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 #e|eWi> 3.优化 gIRCJ=e[b 利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 +\W"n_PPy 4.分析 26Yg?:kP 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 Fj]S8wI <!+o8z] 对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 JHQ8o5bEQp IK W!P1 详述案例 TWs|lhC7! sRMzU 系统参数 ,h>w % 3%P?1s 案例的内容和目标 ALwuw^+ V`H#|8\i 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 /tUl(Fp J` l,X;<&-[
r]E$uq
bR 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 q@\_q! 之后,研究并优化整形光束的质量。 p/:5bvA 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 |.S;z"v![ ex|kD*= 模拟任务:反射光束整形设置 }UO,R~q~ 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。 /F4:1
} JxvwquI
*/\.-L{h :J~j*_hZ
~FsUK;? 3Yf$WE8#l 规格:像散激光光束 yp4G"\hN9 ;?[~]" 由激光二极管发出的强像散高斯光束 =&p bh 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 g|zK%tR_P M ?3N
,qfa,O 7 dzE"m
VsmL#@E U;nC)'~YW9 规格:柱形抛物面反射镜 {L=[1 ~3%3{aa 有抛物面曲率的圆柱镜 3(&.[o
Z 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 x L BG}C 曲率半径等于焦距的两倍 %b?Pasf. }ot _k- 9?:S:Sq 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) vqs~a7E-P gP<_DEd^` 对称抛物面镜区域用于光束的准直 s6D-?G*u%8 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) n=&c5! 离轴角决定了截切区域 Gw./qu-W Z])_E6. 规格:参数概述(12° x 46°光束) :9#`|#uh v<SEGv-
k$c
j|-< e?YbG.(E9 光束整形装置的光路图 X2`>@GR/> P&GZe/6Y
-b$OHFL 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 AAW7@\q. 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。 |FFC8R%@]u d.AjH9 jg 反射光束整形系统的3D视图 W'jXIO E1C_d'
Wa(S20yF CwvNxH#LVu 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Fjzk;o 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 FT;JYkO k~#|8eLv 详述案例 %Let AR 3~Ln:4[6ID 模拟和结果 `k&K"jA7$ RuZ;hnE& 结果:3D系统光线扫描分析 8:% R|b 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 <<6w9wNon 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 0I((UA/7Zs BcLt95;.\ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd sQZ8<DpB \DqxS=o; 使用参数耦合来设置系统 zRu`[b3u< |esjhf}H>v 自由参数: [QbXj0en$ 反射镜1后y方向的光束半径 >n~p1: $ 反射镜2后的光束半径 P;%QA+%7 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) v|@n8ED|@K 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。 rbPs~C-[ 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 pXv[]v j\f$r,4
N| Pm|w*? Q~JKKq
1`lFF_stkP fR4l4 GU?) 自由参数: 9M]"%E!s 反射镜1后y方向的光束半径 suFOc 反射镜2后的光束半径 3|Sy'J0'K 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) #<Nvy9 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 i@5%d!J %uVJLz 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 ==1/N{{R I&8SP$S>J *\KvcRMGUa 结果:使用GFT+进行光束整形 1\*B. ]t)M}^w
-!,]Y10 \.P}`Bpa 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 !9xANSb \Z20fh2 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 Gr$*t,ZW O6,"#BX 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 n/oipiYx =veOVv[Q&/ 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: 9C}aX}` :$i:8lz
eD{ @0& &17,]# 3 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 6'Yn|A <hZ}34?]i2 结果:评估光束参数 c4>sE[] }<ONx g6Kb 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。 D4Y!,7WEVt 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 LQ\
ELJj
_:X|R#d A?D"j7JD=L 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。 7Sz'vyiz 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) zc/%1 e9@fQ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd YD46Z~$ cbCE
$ 光束质量优化 M=[q+A `x$}~rP&)! 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。 @y0bU*v7 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)。 0uIV6LI HS6Imi 结果:光束质量优化 4ZJT[zi SXBQ 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。 3H'nRK}, c >
mu)('U
_A,-[*OKI vbA7I<; 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。) Stw+Dm\! RUk<=!U
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file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 85|95P.< $}^\=p}X 反射镜方向的蒙特卡洛公差 F7Dc!JNa P10p<@? 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 Dl zmAN 85%Pq:E 这意味着参数变化是的正态 \_gp50(3 iijd$Tv
~*mOt7G k?["F%)I 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。
HTUYvU*- 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 n=G>y7b RUS7Z~5
9uw,-0*5 mI7rx`4H file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run Fp5NRM*-! Q"OV>kl k 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) q: Bt]2x MJ>Qq[0
P 34LV+e Ej+]^t$\ 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-, H6u xH"W}-#[ 总结 'HQ7
|Je piYws<Q 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 kMl @v` 1.模拟 +EST58 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ' 1P=^ 2.研究 ^A *]&%(h 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 t,=@hs
hN 3.优化 wRXn9 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。 <+?
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4.分析 Jt-XmGULB 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 +}c|O+6g 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。 :]B%
>*;} r^w\9a_ 参考文献 ']d!?>C@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). + ZR( >/TB_ykb 进一步阅读 L.09\1?.n |D;_:x9 进一步阅读 M^j<J0(O 获得入门视频 tC2 )j7@ - 介绍光路图 !j!Z%]7 - 介绍参数运行 %_B:EMPd 关于案例的文档 '2|1%NSW9 - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens {B FT - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens <a8#0ojm - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing hmK8jl<6 - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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