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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) ~t${=o430 二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 {wpMg #U$YZ#B T`g?)/ 简述案例 B15O,sL&W -yl4tW 系统详情 8)W?la8'p 光源 17i<4f# - 强象散VIS激光二极管 J\xz^%p 元件 <t[Z9s$n - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) 1=/doo{^ - 具有高斯振幅调制的光阑 =wIdC3Ph 探测器 0H OoKh - 光线可视化(3D显示) 4T==A#Z - 波前差探测 +H[}T ] - 场分布和相位计算 W(&Go'9e" - 光束参数(M2值,发散角) >}<29Ii 模拟/设计 I
9{40_ - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 n&0mz1rw - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): 3@PUg(M 分析和优化整形光束质量 vLv|SqD 元件方向的蒙特卡洛公差分析 p|h.@do4 #.E\,N' 系统说明 ;#Jq$v)D 60hNCVq%
#MhNdH# 模拟和设计结果 @4/~~ aPD?Bh>JU
MiSja#"+A 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 Q$xa <[Tq7cO0
wO^$!zB W
}zkL[qu; >W`S(a Mn 总结 :"M9*XeHO 935-{h@k 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 $i,6B9 1.模拟 +={ 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 XGE
2J 2.评估 8%;}LK 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 g(-;_j!= 3.优化 o,?!"*EP 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。 ki;!WhF~ 4.分析 0hrCG3k.91 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 l;XU#6{ zyaW3th 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。 z$9@j2
0M$#95n 详述案例 A#v|@sul ]LEoOdDN"C 系统参数 E:08%4O 0n4g$JK7 案例的内容和目标 FX%t Pv< QjY 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 Ef2Yl +<S9E'gT3V
I*^5'N' 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 4^0d)+Ff 之后,研究并优化整形光束的质量。 J?._/RL8- 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 1pd 9s8CA 8h*t55 模拟任务:反射光束整形设置 r0)JUc}Fyq 引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 6yE'/VB< %9t{Z1$
f"vk# 3 "/Y<G
mbF(tSy *,"jF!C&[ 规格:像散激光光束 |:./hdcad J"diFz+20 由激光二极管发出的强像散高斯光束 }P#Vsqe V 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 JDkCUN 5 znt)]>f#
A[RHw< ci`zR9Ks
uCw>}3 z<a$q3!# 规格:柱形抛物面反射镜 2$M,*Dnr #"::
'?, 有抛物面曲率的圆柱镜 ypH8QfxLTr 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 92ZWU2" 曲率半径等于焦距的两倍 vwVVBG;t o*X]b] |z:Q(d06 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) BYS lKTh $K})Q3FNi 对称抛物面镜区域用于光束的准直 `AR"!X 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) jk )Vb 离轴角决定了截切区域 Nu@5 kwH XlVc\? 规格:参数概述(12° x 46°光束) ;> DHD*3X cg,Ua!c
H#35@HF*o Kv}k*A% S 光束整形装置的光路图 Y=E9zUF 0E-pA3M6
flP>@i:e6 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 IhE9snJ[ 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。 !n eo\ |=O1Hn 反射光束整形系统的3D视图 )Ob]T{GY bw9
nB{C<
lkb2?2\+ W"Z#Fs{n8 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 #1[z;Mk0 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 B52yaG8C 1fY>>*oP 详述案例 gXt O*Rfqk +Qs!Nhsq 模拟和结果 LKx` v90p <#y*h8IZ@t 结果:3D系统光线扫描分析 !{(ls< 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 tw<P)V\h 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 =2%VZE7Vm +"8}R~`! file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd lm$;:Roj* MU1E_"Z) 使用参数耦合来设置系统 .xl.P7@JJ H-,TS^W 自由参数: )t%h[0{{ 反射镜1后y方向的光束半径 @r<b:?u 反射镜2后的光束半径 Qs l80~n_7 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) :3^dF}> 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。 d; =u 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 r+S;B[Vd {E51Kv&_
&s8<6P7 rP'AJDuq
99u/fk L d2~l4IL)~ 自由参数: 3+(z_!Qh 反射镜1后y方向的光束半径 <7'&1=%r 反射镜2后的光束半径 \}#@9= 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) Pu;yEh 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。 c<4F4k7 #!})3_Qc(y 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 JoJukoy}F 6+3 $:? ^m%52Tm
h 结果:使用GFT+进行光束整形 u,o1{%O fx)KNm8Lx
?3q@f\fZ Wp[9beI*M 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 }pawIf4V |4mVT&63( 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 =6\LIbO c}-(. eu 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 dJD(\a>r.u W5SN I>|E 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: SK
R1E];4 >c~RI7uu
{@.Vh] y=Q!-~5|fF file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd x2W#ROfg 66\jV6eH7L 结果:评估光束参数 +,5-qm)Gh> H}ZQ?uK; 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 |PP.<ce\- 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 0.Vi97`
q
\O
Ou 7\Fs=\2l+' 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 S3Y2O
x M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的) !{Z~<Ky <f>akT,W file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd wK!~tYxP L/Vx~r`P 光束质量优化 P^)q=A8Z# (=
;N{u 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 A.En+-[\ 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。 lzhqcL" 73F5d/n 结果:光束质量优化 Eu,`7iQ?( ,6,]#R
:J 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 7%;_kFRV ?LP9iY${
GF$`BGW FN^FvQ 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) ynwG\V ,S&z<S_
KbW9s,:p file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd )r tomp:X =,V|OfW 反射镜方向的蒙特卡洛公差 !{%&=tIZ se9>.}zZN 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 z#6?8y2-
F0lOlS 这意味着参数变化是的正态 9`B$V##-L YY5!_k
@n+=vC.xO _NZ@4+aW 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。 wvby?MhPY 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 #&
?g %' '{b1!nC;
7h9U{4r: M k G0Yh2;# file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run $E!J:Y= W!L+(!&H 第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) |`/TBQz:r [wnDHy6W
^Q}eatEn 4JyM7ePND} 由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 S<wj*"|.s N.do " 总结 ipE]}0q 8V/L:h#7 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 >SbK.Q@ei 1.模拟 sW@krBxMv 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 rNDrp@A> 2.研究 5Wx~ZQZ 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 r' Z3
3.优化 0Q5^C!K 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 Nf41ZT~ 4.分析 dt\jGD 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 K4ZolWbU 可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 KKe8
ly, GEUg]nw 参考文献 /iaf ^
> [1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). 5e8AmY8; xg@NQI@7 进一步阅读 *iA4:EIP c]k*}W3T 进一步阅读 _HOIT 获得入门视频 f9$xk|2g - 介绍光路图 sBX-X$*N - 介绍参数运行 $FTO 关于案例的文档 3>M&D20Z - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens X;F8_+Np - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens cZ8.TsI~ - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing /# NYi,<{X - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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