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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) [eI{vH{ 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 w[@>k@= [r%WVf.#d :lQl;Q -e 简述案例 .-t#wXEi iK{ a9pt 系统详情 -miWXEe@l 光源 7)sEW#d! - 强象散VIS激光二极管 /7#KkMg 元件 mB&nN+MV - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) ~[bS+]d! - 具有高斯振幅调制的光阑 =pQA!u]QE 探测器 NBzyP)2) - 光线可视化(3D显示) F/z$jj) - 波前差探测 [|PVq#( - 场分布和相位计算 '6Dt@^-PZ - 光束参数(M2值,发散角) v2R41*z, 模拟/设计 HlEp
Dph% - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 sU"D%G - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): 6@kKr 分析和优化整形光束质量 VF1)dd 元件方向的蒙特卡洛公差分析 o, e y. 4/;
X- 系统说明 DI O @Zo e6n1/TtqM
Oo{+W5[ 模拟和设计结果 wWs<{ T 1(6B|w5+
;4<CnC** 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 MkJ}dncg* t]1j4S"pm
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OvJ`tM KfpDPwP@ 总结 $#ks`$vM QA_SS'* 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 u=B_c A}: 1.模拟 z^=.05jB 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 Zj;2> 2.评估 x
8lgDO 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 yIC.JmD* 3.优化 `M?C( 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。 gIrVrAV# 4.分析 Fhw:@@= 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ='f<_FD q]Gym 7o 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。 DE3>F^ j h*2Q0GRX 详述案例 m)4s4P57y jSbO1 go# 系统参数 gzqx{ ] pC,MiV$c" 案例的内容和目标 %m[
:}, (pXZ$R: 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]FP1\Y -Si'[5@
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}* 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 5^'PjtW6 之后,研究并优化整形光束的质量。 V#jFjObTN 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 `[\*1GpAo 2b+cz 模拟任务:反射光束整形设置 R o :/J 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。 Q:?]:i/* t{t*.{w
R?3^Kx sxM0c
c]jK
Y< n,sl|hv2U 规格:像散激光光束 +P,hT h,B ]5Of 由激光二极管发出的强像散高斯光束 Z\8TpwD2 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 J1DX}h] _U)BOE0o
m}w~ d / J^[>F{8!n
Gy0zh|me vwQY_J8 规格:柱形抛物面反射镜 Rb=T'x' |0YDCMq( 有抛物面曲率的圆柱镜 J =o,: 3" 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 g/ONr,l`- 曲率半径等于焦距的两倍 +^$FA4<~ E>~DlL% O57n<J'6 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) gaBt;@?:Q [Lh<k+ 对称抛物面镜区域用于光束的准直 <)c/PI[j 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) Q" BIk
= 离轴角决定了截切区域 N@J "~9T nTO,d$!Kp 规格:参数概述(12° x 46°光束) TS+itU62 2= FGZa*.
~M`-sSjZs JSX-iHhW 光束整形装置的光路图 HFYN(nz}[ o>x*_4[
7z!|sPW](b 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 y7aBF13Kl 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。 vU&I,:72
H =YlsJ={h 反射光束整形系统的3D视图 I3uS?c N{v
<z 6
mk?&`_X1 4Z>KrFO 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ju#/ {V;D 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)。 ~oO>6 8Z{&b,Y4L 详述案例 `
MIZqHM @ K!^x+B| 模拟和结果 "PH}\Dl= bmN'{09@ 结果:3D系统光线扫描分析 }MBxfZ 4I 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 l;^Id#N 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 \C;cs&\Q ^(7<L<H file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd .s-X%%e\ M]&F1< 使用参数耦合来设置系统 7+wy`xi 6$-Ex 自由参数: "<6X=|C 反射镜1后y方向的光束半径 _bB:1l?V 反射镜2后的光束半径 `tKrTq> 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 9xL8 ];- 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。 2(V;OWY(@ 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 Rn6;@Cw nxH+XHv
guJS;VC6U O>UG[ZgW
?,8|K B RGd@3OjN 自由参数: 'J(rIH3U 反射镜1后y方向的光束半径 (ZR+(+i, 反射镜2后的光束半径 r|2Y|6@ 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) . 7WNd/WG 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。 297X). _7df(+.{<A 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 @H%)!f]zWt E`68Z/% ,h1
z8.wD| 结果:使用GFT+进行光束整形 c*LB=;npI 1#LXy%^tO
D"kss5>w C+\c(M a 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 G&qO{" Js Y*0 AS|r! 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 c^ $_epc* j>f 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 GG0l\!2) R+vago: 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: jI})\5<R h/`]=kCl
Mrpz (}) "9W]TG file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd s|*0cK!K^ D c5tRO 结果:评估光束参数 !h\.w9o[ 6&jW.G8/ 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 zx<:1nF,] 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 bs_>!H1
-*`7Q'}% 04;E^,V 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 %t& M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的) 7X+SK&PX m/
D ~D~ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 25e*W>SLw *`D}voU 光束质量优化 e:W]B)0/e )Z4ilpU, 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 ^qB
a~
之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。 ky2n%<0] 9i9'Rd`g 结果:光束质量优化 G;RFY!o R-2NJ0F7 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 }57s .|XG0 M
@4)NxdOE 18*M 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) &m{SWV+ }%^N9AA8
z@za9U`6i file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd \mK;BWg) %XF>k) 反射镜方向的蒙特卡洛公差 6&8uLM(z D*T*of G 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 0^lCZ,uq; >z #^JR\6 这意味着参数变化是的正态 /RG>n N.~zQVO#R
JxP&znng qdW"g$fW 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。 \&!qw[;O 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 d76nyQKK RIm8PV;N
` x|=vu- zf4\V F file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 1]&FB{l ?hC,49 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) ax)>rP,V $@Bd}35 J
VTUY#+3 yg@8&;bP` 由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 rp&XzMwC4 l('@~-Zy 总结 E|,RM;7 EvP\;7B 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 IGnP#@`5] 1.模拟 #ETy#jKL 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 =&K8~
2.研究 urbSprdF 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 @S<6#zR 3.优化 K[q{)>,9 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 @sdHB./ 4.分析 e,K.bgi 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 9$q35e 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。 v ^R:XdH {j8M78 }3 参考文献 pN4gHi= [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). :<P3fW 1w!O&kn 进一步阅读 ]N;\AXZ7 (Q?@LzCjy 进一步阅读 ,,c+R?D 获得入门视频 /lS5B6NU - 介绍光路图 $TX]*hNn - 介绍参数运行 : Tcvj5 关于案例的文档 0FcG;i+ - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens L$z(&%Nx - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens /(u# D[ - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing "wR1=&gk - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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