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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) |Whkq/Zg 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 j(];b+> Ui05o7xg~p
gIcm`5+T 简述案例 Ugv"A;l L=<{tzTc 系统详情 XV:icY 光源 .eG_>2'1 - 强象散VIS激光二极管 TZ]o6B b 元件 ^.(i!BG' - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) D|X@aUp8} - 具有高斯振幅调制的光阑 uz[5h0c 探测器 GB`
G(a - 光线可视化(3D显示) Ah1fcXED - 波前差探测 /\|Behif - 场分布和相位计算 (}&O)3) - 光束参数(M2值,发散角) [Z{0|NR 模拟/设计 0Nq6>^
% - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 +oR wXO3W - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): ,[|4{qli\ 分析和优化整形光束质量 .lIkJQ3d 元件方向的蒙特卡洛公差分析 +N>&b% i9quP"<9 系统说明 A"R5Fd%6pc ;_?RPWZ;MO
A]q"+Z] 模拟和设计结果
9ld'SB:# =#sr4T
I,wgu:}P# 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 >Mc,c(CvU N!W2O>VS
'n0u6hCSb
$ru()/pI)z n0<I 总结 Hv.nO-c MNZD-[ 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 :;u?TFCRx 1.模拟 z 2Rg`1B 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 P*zOt]T 2.评估 ~(/OB
w 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 Gtpl5g QH 3.优化 =}7[ypQM`] 利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 ew{(@p+$ 4.分析 @O Rk 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 mq*Efb)! pv9Z-WCix$ 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。 UA]U_P$c KG8Km 详述案例 `UDB9Ca MH=;[ | N 系统参数 *='J>z.] )Me$BK> 案例的内容和目标 O0Sk?uJ< hd)HJb-aR 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 )mF;^3 8s#2Zv
{e'V^l.v 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 "g>, X[g 之后,研究并优化整形光束的质量。 -VVJf5/ 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 )S2GPn7 }Uc)iNU 模拟任务:反射光束整形设置 c-gpO|4> 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。 N5\]VCX xgV(0H}Mf
rS^+y{7 F2#s^4Ii
EvQMt0[?EW d iG kwKj 规格:像散激光光束 `rLy7\@; k-N`
h 由激光二极管发出的强像散高斯光束 z.%K5vrO> 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 _Nmc1azS C}>Pn{wY9
F.[E;gOTo qkk!1W
*8?0vkZZ2 vv%
o+r-t 规格:柱形抛物面反射镜 Sdn4y(&TP ltH?Ew<] 有抛物面曲率的圆柱镜 "g=g' W# 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ]
3UlF'{ 曲率半径等于焦距的两倍 1o*eu&@ [9U:: r{pbUk 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) xYUC|c1Q9 %SHgXd#X 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Nxd<#p 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) ;:5Ahfo \ 离轴角决定了截切区域 XD=p:Ezh n?=d)[] 规格:参数概述(12° x 46°光束) f;7I{Z\< "0ZBPp1q
(o5^@aDr
^D.u 光束整形装置的光路图 Z\9DtvV 4ZAnq{nR4
> q!:* 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 44p?x8(z* 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。 C@#KZ`c) g&<3Kl 反射光束整形系统的3D视图 z:7
i@m UcI;(Va
oM~;du gXP)YN 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 cU 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)。 $9%UAqk9 eF%>5 详述案例 @3_[NI% {/E_l 模拟和结果 io1hUZ #i1z&b#@ 结果:3D系统光线扫描分析 zZ*\v 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 X]T&kdQ6q 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 N" =$S|Gs [42EqVR file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 8v V<A*` ]aN]H a 使用参数耦合来设置系统 xb22: abgAUg) 自由参数: cq#=Vb 反射镜1后y方向的光束半径 1> IA9]D7 反射镜2后的光束半径 $ctpg9 7 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 7(W"NF{r 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 |JVp(Kx 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 ];63QJU A]_5O8<buW
l?Qbwv} %%h0 H[5*
NB=!1;^J !bGMVw6_ 自由参数: 4u}jkd$]* 反射镜1后y方向的光束半径 aWTvowA 反射镜2后的光束半径 PC55A1(T 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) C=zc6C, 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。 +F@ZVMp :)g}x&A^$ 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 \>N"{T mi&mQQ tB/'3#o 结果:使用GFT+进行光束整形 2[QyH'"^E NS3qNj
^9`S`Bhp /4wPMAlb 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 d:{#Dk# }h=}!R'm 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 kBr?Q gH<A.5 xy 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 ]rMHO h4geoC_W2 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: ^"!)p2= ^w6~?'}
<F6LC_ 5ji#rIAhxh file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd {O"N2W MNWuw;:v 结果:评估光束参数 =}wqo6Bn| PGNH<E) 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。 <
s1 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 ] GH_;
yDmx)^En cj@ar^=`K 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。 .\}nDT 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) GS&iSjw *)xjMTJ% file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 7j~}M(s" gq~6jf> 光束质量优化 rfHAz I|/\ L|vo 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。 @0&KM|+ 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)。 >^TcO V PaW-o 结果:光束质量优化 uB>OS1= 7L !$hk 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 >))K%\p
F*J@OY8i
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Y`j5S 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) E9~}%& X|Rw;FY
MR}h}JEx0 file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd %pBc]n@_ pWOK~=t 反射镜方向的蒙特卡洛公差
j7sRmQCl V8-*dE 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 +XoY@|Djd TS49{^d$ 这意味着参数变化是的正态 k r ga!,I 6O|
rI>D
Y"UB\_= [/GCy0jk 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。 ;nbbKQ]u 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 =l+~}/7'Z j:P(,M[
[|tlTk YF68Ax] file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run <}('w/ "pTU&He 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) v!6IH
kAnK1W>
]%ey rbU :7[4wQDt4 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。 ?G<.W[3 7QM1E(cMg 总结 5\.w\ /y[zOT6 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 z#Db~ 1.模拟 q"$C)o 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 nl+8C}=u 2.研究 UoOxGo 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 &@fW6},iW 3.优化 l
dw!G/ 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。 l9vJ] 4.分析 ,&iZ*6=X?0 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 H{I,m- 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。 ?L+|b5RS sj8lvIY5 参考文献 O~4Q:#^c [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). :b"&Rc&s. NN]8T 进一步阅读 vEC#W43l OCv,EZ 进一步阅读 8T}Dn\f 获得入门视频 fir#5,*q| - 介绍光路图 Xz\ X 8I - 介绍参数运行 Rgb&EnVW 关于案例的文档 S0H|:J - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 9O|k|FD - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens e`bP=7`0 - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing ()(^B}VK - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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