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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) [PW*|U 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 xo_Es? rru `%~'O =zW.~(c{ 简述案例 o%A@
OY WAcQRa~C 系统详情 kQm\;[R 光源 Lpdp'9>I - 强象散VIS激光二极管 "%Eyb\V! 元件 #r)c@?T@j - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) #|
Et9 - 具有高斯振幅调制的光阑 $
p{Q ]|ww 探测器 j^~WAWbFh - 光线可视化(3D显示) C"ZCX6p+$ - 波前差探测 7nHlDPps) - 场分布和相位计算 C'}8 - 光束参数(M2值,发散角) R:v`\ 模拟/设计 KArnNmJ9 - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 QJ
s/0iw - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): qN_jsJ 分析和优化整形光束质量 hU `H\LE 元件方向的蒙特卡洛公差分析 RyxIJJui `+QrgtcEy4 系统说明 k^.9;FmQ u]ZCYJ>
c;bp[Y3R 模拟和设计结果 8P'>%G<m *(x`cf;k
>g6:{-b^a 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 iffRGnN^e _A\c 6#
p]#%e0
@&2bLJJ+ T;}pMRd% 总结 4jrY3gyBX YXa^jFp 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 *, o)` 1.模拟 8<6;X7<- 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 7@rrAs-"Z 2.评估 Jh[fFg] 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 avk0pY(n 3.优化 $3%EKi 利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 69,;= 4.分析 -`B|$ W 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 )fR'1_ >9|/sH@W 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。 dd>stp z/N~HSh!d 详述案例 (_E<? 1<
;<? 系统参数 6546"sU T.aY{Y 案例的内容和目标 xq.,7#3 0AFjO) 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 p}}o#a~V), kL,AY-Iu{@
Jpws1~ 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 {cKKTDN 之后,研究并优化整形光束的质量。
!5Kv9P79 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 o|AV2FM) $ T.c>13 模拟任务:反射光束整形设置 Yyby 1 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。 N'!a{rF -}{c;pT
_bn*B$ {(AYs*5
/e6\F7 y}5H<ZcXA 规格:像散激光光束 z'MOuz~Y vVmoV0kGt 由激光二极管发出的强像散高斯光束 y'pAhdF 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 [L"(flY(E sV'(y>PP%
j}'spKxu jX!,xS%(
Uo<d]4p $ G0|j3y9$ 规格:柱形抛物面反射镜 KZ
pqbI Z \SS1-UbL 有抛物面曲率的圆柱镜 !&Vp5]c 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 CYmwT>P+*4 曲率半径等于焦距的两倍 r%JJ5Al.S ]i)m #)2'I`_E 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) ^i2W=A'P a1_7plg 对称抛物面镜区域用于光束的准直 {Tl5,CAz 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) %vDN{%h8 离轴角决定了截切区域 )Y+n4UL3NK 8TZNvN4u 规格:参数概述(12° x 46°光束) (\>3FwFHW| Jc"xH~,
<T+)~&g$ \L-o>O 光束整形装置的光路图 <<W{nSm# |?hNl2m
O{uc
h 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 d:.S]OI0 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。 j{U?kW{o 0qqk:h 反射光束整形系统的3D视图 qI"Xh"
c? <spV Up
$DeHo"mg7m JwL}|o6 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 //n$#c_}u 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)。 *JDQaWzBd gE]6]L 详述案例 >
L_kSC? c!vtQ<h- 模拟和结果 _o/LFLq HjAhz 结果:3D系统光线扫描分析 DJvmwFx 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 mZQW>A]iE 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 N"1o>
! S=B?bD_,c file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ul$k xc=N $L7Z_JD5 使用参数耦合来设置系统 4u- mE ~(OG3`W! 自由参数: mQdF+b1o 反射镜1后y方向的光束半径 S-l<+O1fy 反射镜2后的光束半径 d$qivct 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) =jXBF. 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。 :}'5'oVG 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 p5`iq~e9 LH/lnrN
ovm109fTx 0M=A,`qk
j5\z7 D$@5$./ 自由参数: .aS`l~6 反射镜1后y方向的光束半径 ;Z^\$v9? 反射镜2后的光束半径 \PReQ|[ah 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) czNi)4x 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。
ac LCBP9Rftvd 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 lTb4quf8I U'~M(9uv: _L?MYkD 结果:使用GFT+进行光束整形 y7pwYRY @^P<(%p
?APzb4f^W 6z`l}<q 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 %Q,6 sH# R!&9RvNw 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 |wbXu: xqm-m 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 0O>T{< "&Q sv-9t 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: 7R5m|h`M r2ZSkP.
F8xz^UQO gq%U5J"x;J file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ;|qbz]t2( l4Au{%j\ 结果:评估光束参数 M./1.k&@ Ei>.eXUD5 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。 CFK{.{d]B 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 _oz1'}=
/]U),LbN %f)%FN.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。 %CoO-1@C 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) G VT|
fE pyUzHF0 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd xAwP b=@H5XTZyK 光束质量优化 L"8Z5VHA&& %Ev)Hk 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。 2CMWJi 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)。 C6"{-{H inHlL 结果:光束质量优化 (usFT_ xs
1V?0 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。 SA{noM t
$m:
Vp$<@Y }A}cq!I^ 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。) ^O.` P VwN=AFk
Oj
(N6=+dNY file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd |zbM$37?k x)R1aq 反射镜方向的蒙特卡洛公差 Prc( {K N7Y"AI 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 Skl:~'W.&| V=gu'~ 这意味着参数变化是的正态 ,UYe OM2Ao f4O}WU}l{s
#.<Dq8u :jAsm[ 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 HQZJK82 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 (%j V[Q qXprD.; }
x.9[c m-! |Ed?s file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run xsIfR3Ze9 i"0*)$
hW 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) WN $KS"b6} Z*R~dHr
?7#{#sj %x./>-[t 由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 C).+h7{nd PYwGGB- 总结 "#:h#uRUb _b`/QSL 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ef@F!s_fI 1.模拟 aECpe'!m4 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ol1J1Zg 2.研究 >guX,hx^ 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 \'r;1W 3.优化 DW>O]\I 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 |['SiO$) 4.分析 \j<aFOT( 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 bN&DotG 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。 Qe0?n Mr*CJgy 参考文献 }Ui)xi:8 [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). )xL_jSyh )8taMC:H^ 进一步阅读 9e7):ZupO _&N:%;9uD 进一步阅读 _}j6Pw' 获得入门视频 </B:Zjn - 介绍光路图 5s%FHa - 介绍参数运行 e< G[!m 关于案例的文档 i!G<sfL - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ~<}?pDA}~ - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens m2l0`l~T8 - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing <O41M\, - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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