| xunjigd |
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) q'D Ts9Bj 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 /$^Tou/v OVK
)]- ~ $b8[/], 简述案例 fk*(8@u> E'iE#He 系统详情 _!xrBdaJ 光源 8ud12^s$ - 强象散VIS激光二极管 R%r
bysP 元件 6St=r)_ - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) xAmtm" - 具有高斯振幅调制的光阑 |}zWH=6 探测器 f*k7 @[rSv - 光线可视化(3D显示) +C~h( - 波前差探测 q,v<:sS9T - 场分布和相位计算 9A|A@E# - 光束参数(M2值,发散角) _p$/.~Xo9 模拟/设计 3,PR6a,b' - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 hSehJjEoM - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): |q`NJ 分析和优化整形光束质量 WJ{Iv] }9 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ]545:)Q1 D4%J!L<P 系统说明 4m*)("H Q)75?mn
xHgC':l(0 模拟和设计结果 /x3*oO1 ,Ckcc
#GM^ :rF 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 5lsslE+:J 7F<{ Qn
@*%3+9`yq
a4:GGzt >u= 总结 Q,?_;,I} ^ ` LqNG 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 cSL6V2F 1.模拟 !}Xoqamm 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 l";Yw]:^ 2.评估 KL \>-
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 )>@S8v,( 3.优化 |[],z 8 利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 a1pp=3Pd?~ 4.分析 +4yre^gC 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 .xIAep_ 8AR8u!;8 对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 (xgw';g ]>M\|,wh 详述案例 >0HH#JW T"xJY#)} 系统参数 N7?]eD tW/k 案例的内容和目标 V$ZclV2:Ih >XtfT' 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 C1^%!) jG>W+lq
@gN"Q\;F 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Avw=*ZW 之后,研究并优化整形光束的质量。 96w2qgc2 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 0?54 8yH ZR1U&<0c@ 模拟任务:反射光束整形设置 `D ;*.zrA 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。 evZcoH3~ ,X4b~)
PC9,;T&7_ #@FA=p[%
cWAw-E5 6f +aGz 规格:像散激光光束 |aDBp k6C XuU 由激光二极管发出的强像散高斯光束 `X<B+:>v- 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 uw \@~ ,d 2 .3_FXSt
l!*_[r t"$~o:U&)
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S4W; %>FtA) 规格:柱形抛物面反射镜 Uxjc&o Q]9$dr=Kk0 有抛物面曲率的圆柱镜 !JA;0[;l= 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 529b. | 曲率半径等于焦距的两倍 Na91K4r#
7IxeSxXH JY 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) AERJ]$\
*$=i1w 对称抛物面镜区域用于光束的准直 f30J8n"k 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) yz68g?" 离轴角决定了截切区域 =e6pv# vh\i ^ 规格:参数概述(12° x 46°光束) a/ Ac^!( L"ho|v9:
z_>~=Mm mn@1c4y 光束整形装置的光路图 S"!6]!~^
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:UdW4N- 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 S#]]h/ 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。 8Qg{@#Wr jC&fnt,O 反射光束整形系统的3D视图 r<0E[~ dBI-y6R
_9>,9aL /MtmO$. 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 =RWTjTZ 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 -jJhiaJ$< <%^/uS 详述案例 H?"M&mF P3Ql[2 模拟和结果 -H%v6E%yh Rs=Fcvl 结果:3D系统光线扫描分析 [WDzaRzd 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 2_pF#M9 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 jzf~n~ <.)=CK file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd nWsRauY yu6~:$%H 使用参数耦合来设置系统 cB,^?djJ3 z#+WK|a 自由参数: 7(2}Vs!5 反射镜1后y方向的光束半径 ]-t)wGr 反射镜2后的光束半径 P8c_GEna 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 0'd@8]|H 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。 bbjba36RO 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 ^X&`YXjuN )#AYb
u[qy1M0 St?mq* ,
d_
=K (}eR SLuQv?R}9 自由参数: p>)1Z<D"a 反射镜1后y方向的光束半径 ai;!Q%B#Q 反射镜2后的光束半径 bpsyO>lx/ 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) Lx-%y'P 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。 [g}^{ $` q<\r}1Dm 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 r5&c!b \ Y<;C>Rs
?4SYroXUX| 结果:使用GFT+进行光束整形 _dd_Z40R tgBA(2/Co
m@nGXl'! d '2JMdbc 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 =x w:@(]{ cV:Q(|QC 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 T\wOGaCW {$ N\@q@v~ 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 ruqE]Hx9( W{IP}mM 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: E2
'Al6^C Nj6Np^@sH
L,_U co .~'q
yD2V file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Q3lVx5G>4 ~i^,Z&X: 结果:评估光束参数 DvEII'-h p"\-iY] 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。 3!;o\bgK 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 ivdPF dJ
M]\"]H? &m(eMX0lU 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。 ziW[qH { 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) TuMZHB7h; Zf u" 8fX file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd w*SF Q_6YE GmGq69]J* 光束质量优化 fZd~},X :?%_JM5U 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。 9DXu*} 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)。 d@|j>Z s|!b: Ms` 结果:光束质量优化 =7P; /EV b!37:V\#} 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。 Dc>)j s|"
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Q;$/&Y* Df/f&;` 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) r3 {o_w "=!QSb
TAYt: file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd b_Ky@kp .Lu=16 反射镜方向的蒙特卡洛公差 f{Y|FjPp=E zck |jhJ6 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 "/XS3sv"s &(^>}&XS.< 这意味着参数变化是的正态 vDOeBw= 7erao-
#WpO9[b> qaGIU`}:$A 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。 " Gn; Q-@ 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 (U dDp"/ !`#9#T|
N$,)vb< zB]T5] file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run R+JI?/H 2RXGY 第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) quUJ%F ;^8^L'7cr
22r01qH @Q1jH~t 由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 ~D=@4(f8| yEqmB4^- 总结 V=*J9~K kL|Y-(FPo% 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 C[&&.w8Pm 1.模拟 +l/j6)O`(m 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 t(rU6miN 2.研究 pz
IMj_ 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 4F4u1r+ 3.优化 Fi/G, [q 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 Mqtp}<*@- 4.分析 enz Q}^ 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 2,;t%GB 可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 *pD;AU @Kr)$F 参考文献 G!;[If:<e [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). f,a %@WT e,*[5xQ 进一步阅读 (*x"6)` {|E7N"Qzg 进一步阅读 E\S&} K,s 获得入门视频 *a%PA(%6 - 介绍光路图 Q8q_w2s, - 介绍参数运行 w$ { 关于案例的文档 %$xFnGb - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ^e,RM_. - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens `7_LJ
\>I - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing ex+AT;o - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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