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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) Qt]Q:9I[ 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 ]*7Y~dO FKe, qTqa 6_N(;6kx( 简述案例 G,;,D9jO7 'zh7_% 系统详情 K't]n{$ 光源 Mi~(aah - 强象散VIS激光二极管 sgE-`# 元件 5Sk W-+$ - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) ;gC| - 具有高斯振幅调制的光阑 eAPXWWAZJ1 探测器 )Ud-}* g - 光线可视化(3D显示) $%VuSrZ& - 波前差探测 |W<+U - 场分布和相位计算 :!zl^J; - 光束参数(M2值,发散角) ko5V9Drc 模拟/设计 2w)-\/j} - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 m Z1)wH , - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): PqM1aoyX 分析和优化整形光束质量 !n^OM?.4 元件方向的蒙特卡洛公差分析 wf1lyS %X9r_Hx 系统说明 a~8[<F omj y\{%\ $
NH_<q"gT 模拟和设计结果 @3kKJ }MUn/ [x
v@# b}N0n 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 H4]Ul
eU Ytgj|@jsp
_#vrb;.+
7t.!lh5G% i1RiGS 总结 epgPT'^ 3j3N!T9 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 #pcP! 1.模拟 ]vuwkn+) 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 GKcv<G208 2.评估 E@Ad'_H 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 " LJq%E 3.优化 GRY2?'` 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。 LY+|[qka 4.分析 "n*~Mj Ny 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 "O(9 m.CZ `=7j$#6U 对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 Y3O#Q)-j$ 'fPdpnJ< 详述案例 qoAj]
") '}Ri` 系统参数 N<DGw?Rl Afk$?wkL 案例的内容和目标 m>SErxU(z |.wEm;Bz 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 S6[v;{xJ Ag@;
^i:B+
rl 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 t:fFU1x 之后,研究并优化整形光束的质量。 ~RWktv 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 Gm\/Y:U D.mHIsX6\ 模拟任务:反射光束整形设置 wd)jl% 引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 Bp@v,)8* IUwm}9Q!
85GKymz$P `:axzCrCfR
Zv#Ll@v q/n,,! 规格:像散激光光束 \_B[{e7z PiA0]> 由激光二极管发出的强像散高斯光束 jRL<JZ1N 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 R+CM`4CD 3$X'Y]5a
DY^;EZ!hb w}=5ElB
A,4fEmWM v,ju!I0. 规格:柱形抛物面反射镜 2p"WTd 0'IBN} 有抛物面曲率的圆柱镜 YY!Rz[/ 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 7nuU^wc 曲率半径等于焦距的两倍 y:6; LZ9[ KGg3 !jY J_;o|gqX 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) >vA2A1WhW AA7C$;Z15~ 对称抛物面镜区域用于光束的准直 s;A@*Y;v 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) %VnbmoO 离轴角决定了截切区域 f`Fi#EKT w`5xrqt@ 规格:参数概述(12° x 46°光束) 5;HH4?]p mWvl38
^f(@gS}? )-._FOZ6 光束整形装置的光路图 VX1-JxY 8e(\%bX
?5{>;#0Z 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 cMOyo<F#^= 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。 -(=eM3o-9m 4H/fP]u 反射光束整形系统的3D视图 (I./ Uu% z5YWt*nm
ruy}/7uf L'kmNVvYN 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 n<u
$=H 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 d}4Y( @!1x7%]G 详述案例 J7g8D{4 sL$:"= 模拟和结果 _/tHD]um aSnFKB 结果:3D系统光线扫描分析 i ,/0/?)*_ 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 IqoR7ajA 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 %xyou:~0zs ?)ONf#4Y file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd AQwdw>I-FX +csi[c)3E 使用参数耦合来设置系统 U3dwI:cG H|HYo\@F# 自由参数: 73\JwOn~ 反射镜1后y方向的光束半径 [wzb<"kW 反射镜2后的光束半径 Sxh]R+Xb 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) XY3v_5~/1F 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。 #iHs*
/85 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 gK'1ZLdZ2 K42K!8$
WL"^>[Vq O*FUTZd( J
aq@8"b(. tu66'z 自由参数: GVYkJ0, 反射镜1后y方向的光束半径 )`O~f_pIC 反射镜2后的光束半径 M,\:<kNI 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 9~/J35 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。 ia+oX~W!VR lUMS;H( 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 4?q<e*W lSVp%0jR _v> }_S 结果:使用GFT+进行光束整形 7%|~>
%/zbgS`
T~##,qQ &keR~~/ 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 7 *`h/ =*c7i]@} 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 {ix?Brq/ kr9*,E9cv 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 f\sQO& CU@Rob} s 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: os:A] biU^[g("
?En O"T. VKG&Y_7N file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd <(fRn`)PT 8"8t-E#? 结果:评估光束参数 PuA9X[= !W}9no 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。 Pama#6?OPh 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 YSic-6z0Ms
keX,d# nG'&ZjA 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。 c]n1':FT" 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) F`XP@Xx koZ*+VP= file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 2db3I:;E $!-c-0ub 光束质量优化 = C8 ?M rrBsb - 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 [6%VRqY 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。 gM
u"2I5 [S9K6%w_! 结果:光束质量优化
4~Vx3gEV: t\k$};qJ 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。 8<pzb}xK pz\
+U7
~obqG!2m |y!=J$$_H 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。) ZojIR\F^ =S+wCN
93("oBd[s( file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd \IV1j)I"u t^R][Ay& 反射镜方向的蒙特卡洛公差 `1$@|FgyC DEG[Z7Ju 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 pN:Kdi (|:M&Cna] 这意味着参数变化是的正态 )_syZ1j Ui_8)z _
Ai=se2 r~jm`y 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 "GMBjT8 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 *'.|9W 5cL83FQh
|:q=T
~x e6R}0w~G file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run C*)3e*T* A&.WH?p 第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) n'wU;!W9 ,Ys %:>?
"}u.v?HYz NO "xL, 由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 :DrWq{4 @5=oeOg36 总结 I5 o)_nc +7D|4 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 fHE<( 1.模拟 bH7X'%r 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 p4.wh|n 2.研究 ]qethaNy 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 |oH,
3.优化 "bFTk/ 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 T! Y@`Ox 4.分析 'y;EhOwj, 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 V)Z}En["1 可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 2h|MXI\g #I{h\x><? 参考文献 T*8VDY7 [1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). nt 81Bk= B:b5UD 进一步阅读 Y_;#UU689 ?i7%x,g(Z 进一步阅读 XX7{-Yy 获得入门视频 5gH1.7i b - 介绍光路图 *g:4e3Iy - 介绍参数运行 x5,++7Tz 关于案例的文档 mq aHwID - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens oX#Q<2z* - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 3 R=,1< - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing &oP+$;Y - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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