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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) >Mj :' 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 )`F?{Sg 6[wej$u /ivt 8Uiw 简述案例 ##Z:/SU j+]>x]c0 系统详情 qd~)Ya1 光源 [Av87!kJ!X - 强象散VIS激光二极管 (`GO@ 元件 xB]~%nC[O - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) QW6F24 - 具有高斯振幅调制的光阑 (FbqKx'uq 探测器 #tN)OZA - 光线可视化(3D显示) QXishHk& - 波前差探测 R!W!8rr3 - 场分布和相位计算 c.m '%4 - 光束参数(M2值,发散角) ]
M"{=z 模拟/设计 jIK*psaV - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 [%YA42_`LD - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): :N\*;> 分析和优化整形光束质量 ,d)!&y 元件方向的蒙特卡洛公差分析 8HX(1nNj} .a:"B\B` 系统说明 Xw`vf7z* =#^%; 6 6z
yU\&\fD>j 模拟和设计结果 +c/am`` cbsy&U
T=:O(R1*0 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 E{^*^+c"h }D xXt
lDe9(5|)Q
}+#-\a2 $Eg|Qc-1 总结 'Z+w\0}@ ,IA0n79 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 PH9MB 1.模拟 3^q,'!PfB 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 "@Bc eD 2.评估 ?}m/Q"!1 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 6LL/wemq 3.优化 gHQ[D|zu 利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 LVq3R 8A 4.分析 I.Co8is 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 bRJYw6oA< W tnZF]1:u 对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 1 <.I2\^ \U4O*lq 详述案例 A@j;H| [5:,+i 系统参数 &1%W-&bc6 6%JKY+n^ 案例的内容和目标 f*Xonb N$M#3Y; 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 /gL(40 El Z'/l*\
F}DdErd!f 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 vpFN{UfD 之后,研究并优化整形光束的质量。 $/}*HWVZ 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 VE&
?Zd~ 'v*
=}k 模拟任务:反射光束整形设置 ^5qX+!3r{ 引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 *SzP7]1m >1`FRw<
SGZOfTcY [Oxmg?W
sT[)r]`T RU,f|hB4 规格:像散激光光束 1Z'cL~9 k
sJz44 由激光二极管发出的强像散高斯光束 m( C7Fa 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动
02Ur'| T [N:X0
>T%Jlj3ZG %RL\t5TV
6i(V+ fa=#S 规格:柱形抛物面反射镜 3%/]y=rA /wK5YN.em 有抛物面曲率的圆柱镜 j2cLb 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 U
u(ysN4` 曲率半径等于焦距的两倍 KwN o/x|
v &32qv`
V_ 4;M 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) W,`u5gbT !
W$u~z 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Gnj;=f 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型)
jC*(ZF1B 离轴角决定了截切区域 Cnd*%C PZ CM>/b3nOW 规格:参数概述(12° x 46°光束) g(33h2" @z EEX9U
AU}lKq7% i)1E[jc{p! 光束整形装置的光路图 U>(5J,G 5>t&)g
q =b.!AZy 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 2}'qu) 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。 | H2{%! n4 KiC!*i0 反射光束整形系统的3D视图 Bg-C:Ok2' -DlKFN
Z_iu^Q Q`7!~qV0= 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 [zm&}$nnN 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 R)I 8 ) ndOPD]A' 详述案例 [@";\C_I #KXaz Zu" 模拟和结果 1T%Y:0 X;w1@4! 结果:3D系统光线扫描分析 % rdW: 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 v>c[wg9P 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ?#qA>:2, @~ N:F~ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd S&6}9r b5_A*-s$M 使用参数耦合来设置系统
UQ$dO2^ DGC-`z 自由参数: V8NJ0fF 反射镜1后y方向的光束半径 j^1T3 + 反射镜2后的光束半径 r4gkSwy 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) `V w9j,G 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 'P)xY-15 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 j+*VP V(L~t=k$
Eof1sTpA =gGK24 3
*<x]gV 2
L%d,Ta> 自由参数: 37ll8 反射镜1后y方向的光束半径 e[ i&2mM 反射镜2后的光束半径 FMwT4]y 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) CHdw>/5 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。 !}"npUgE E;$t|~# 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 b]g}h $P^=QN5Bb MCurKT<pQ 结果:使用GFT+进行光束整形 j*I0]!- R=i$*6}a
MQQiQ 2 Q&MZ/Nnf 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 Aw4Qm2Kf =V"ags 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 Cs^o- g!L <!y_L5S| 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 VDPqI+z J%aW^+O 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差:
3cT ;)83tx
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F`
J(+ ppR_y file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 56>Zqtp* b= F" 结果:评估光束参数 pA4/'7nCl *W(b = 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。 bLCr h(< 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 ^dZ,Itho
4J!1$ klT6?'S 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。 5 f/[HO) 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) 2EG"xA5% $]|_xG-6{ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd b 7aAP*$ }=?r`J+Ev; 光束质量优化 5c{=/}Y ~ZG>n{Q 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。 @*is]d+Ya 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)。 A~*Wr+pv E IEwrC 结果:光束质量优化 A
|NX" |g8
]WFc 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。 [DGq{(O Y
+HVn0~qz
0Yfk/}5 P/nXY 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。) "9LPq "
8;D^
MMhd -B1O& file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd BAX])~_ i;6\tK"! 反射镜方向的蒙特卡洛公差 q/Q^\HTk <u4GIi
<sm 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 "D3JdyO_S A
javV 这意味着参数变化是的正态 Cgq9~U ! MAJvjgd..
CdWGb[uI y"t5%Iv 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。 DgClN:Hw 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 Q{>9Dg Bw{@YDO{
&+&^Hc ~+CNED0z+ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run EnwiE [jAhw> 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) -BEPpwb<g n[ba
!ae@g
q' QXXcJc~ 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。 *D4H; P# M$! 0ikh 总结 >x!N[N@G p,kJ# I 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 M{~eI 1.模拟 :^l*_v{ 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 "T~Ps$ 2.研究 +|#:*GZ 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 !my5-f>{( 3.优化 QL|Vke:N4 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。 +XY}- 4.分析 :Bn\1\ 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 HF47Lc*c 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。 ghms-.:b8 rWbL_1Eq 参考文献 {/n$Y|TIQt [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). c-M&cU+=L 9^c_^-8n<} 进一步阅读 #jDO?Y Sa ]}'WNy6c&x 进一步阅读 3%cNePlr 获得入门视频 4~o\Os+8 - 介绍光路图 Gi{1u}-0 - 介绍参数运行 *&5G+d2 关于案例的文档 2<.}]yi - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens Aq";z.gi+ - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens JBU
qZ - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing #m8Oy|Y9` - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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