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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) :WM[[LOaC 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 kfQi}D'a +}-Ecr ecqL;_{o 简述案例 WVkJ=r0Ny iL\eMa 系统详情 fo5+3iu^ 光源 X ^\kI1 - 强象散VIS激光二极管 i3usZ{_r 元件 d:%!)s - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) r_EuLFM A - 具有高斯振幅调制的光阑 TQiDbgFo 探测器 o?]g - 光线可视化(3D显示) fd&=\~1_$ - 波前差探测 k,M%"FLQ - 场分布和相位计算 lRr ={
>s - 光束参数(M2值,发散角) G&f~A;'7k 模拟/设计
U%zZw) - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 `a:L%Ex - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): hnp-x3 分析和优化整形光束质量 - )brq3L 元件方向的蒙特卡洛公差分析 r-]Hm Y x J[7|Ul1
< 系统说明 Ua](o H .V'=z| e/nc[ 模拟和设计结果 C?47v4n-' }+3IM1VTW{
W%.ou\GN^t 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 #'2CST \8HLQly|@ /N?vVp q(YFt*(;w I,0Z* rw 总结 yDn8{uI {24Y1ohK 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 cV+x.)a. 1.模拟 N-9qNLSP 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 WUesTA> 2.评估 L^Q q[> 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 [Dou%\ 3.优化 mE+ 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。 ]Y%U5\$ 4.分析 qZ79IX'y 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 .)Af&+KT leMcY6 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。 QTKN6P $GcVI;a 详述案例 0*-nVC1 $k=5nJ 系统参数 tUR9ti n;+e( ob;; 案例的内容和目标 -'jPue2\ H*&ZXAKv 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 ?5yj</W ! !9l@
f} _d`?K 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ; Da[jFP 之后,研究并优化整形光束的质量。 tq^d1b(j4 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 oy?>e1Sy* 5/{";k)L+ 模拟任务:反射光束整形设置 #Lq{_Y 引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 mhXSbo9w- _o-lNt+ jj&4Sv#> kk*:S* , J|D$ [Q+qu>&HB7 规格:像散激光光束 "Nx3_mQ 3-T}8VsiP 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ag
\d4y6 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 6-w'? G37 01P ~K|s ,*w AvNU\$B4aG ,& ^vc_} kQY+D1 规格:柱形抛物面反射镜 KOQ9K cx(W{O"Jb 有抛物面曲率的圆柱镜 Q4&|^RLLG 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 O^AF+c\n 曲率半径等于焦距的两倍 ;N FTdP Wveba)"$ %488" 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) xa?#wY
b ps*dO 对称抛物面镜区域用于光束的准直 nvdo|5 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) [v!TQwMU 离轴角决定了截切区域 rq.S0bzH 3w
B 03\P 规格:参数概述(12° x 46°光束) u?>]C6$ {_]'EK/w Po:)b {D( _" 光束整形装置的光路图 JrkjfoN )38M~/ ^l
a V4p0s6ZZ 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 RNJUA^{ 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。 CX8tTbuFl /<Doe SDJ| 反射光束整形系统的3D视图
<$\En[u0 ;BR`}~m JBsHr%!i r95l.v 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 e[lRY>Pe5 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 ZN:~etd "F*'UfOwrZ 详述案例 73C U1>VKP;5Nn 模拟和结果 ~$zodrS9 w;;.bz m 结果:3D系统光线扫描分析 vIoV(rc+ 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 JERWz~n} 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 :PrQ]ss@C5 gGiLw5o, file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd +U%U3tAvs M=}vDw]Q 使用参数耦合来设置系统 2{!^"iW zlh}8Es 自由参数: 9*@K l`\ 反射镜1后y方向的光束半径 ;(kU:b|j 反射镜2后的光束半径 AU@XpaPWh 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 4I>I 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。 0#}@-e 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 {&'u1y R v;9VX
s^/<6kwO WCbv5)uTUs qq&G~y *CA7
{2CX 自由参数: FZM9aA 反射镜1后y方向的光束半径 *j,5TO-j 反射镜2后的光束半径 CaZ{UGokL 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 7kBULeBn| 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。 ldJ:A*/M6 G?Y2 b 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 HS|X//] uLw$`ihw GRanR'xG 结果:使用GFT+进行光束整形 C} #:<Jx \(lt [= c1IK9X* mW_<c,3D. 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 "RG.27 acWm+ 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 Z=sC YLm rNL*(PN}lO 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 ELp @/c=Wr eZ]4,,m 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: $18|@\Znj ^X%{]b K tQy@d_a=y ! K~PH file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd zMT0ToG K8.=bGyg 结果:评估光束参数 3*G7H ':71;^zXf 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 djeax 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 ^ ~HV`s eu(1bAfS&T #\G{2\R 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 Aw)='&;^z M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的) X[:&p|g] .c'EXuI7), file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd @0q%&v0 K9FtFd 光束质量优化 uj$b/I>.' )1a3W7 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。 DWep5$>&K 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)。 dZ&/Iz [X.sCl| 结果:光束质量优化 N(v<*jn 317Lv
\[ 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。 w!7f* j_E$C.XU{g 8$3G c"= Akf?BB3bC 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) "
1YARGu RsS?ibozl m!s/L,iJJ file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd sm-RpZ&| )p7WU?&I 反射镜方向的蒙特卡洛公差 ir<HC 'D[ &ZgB b 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 <qs>c<Vj ~xqRCf{8 这意味着参数变化是的正态 &[}T41 08&DP^NS i{w<4E3 yz!j9pJ 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 Hq h 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 N=&~3k -.:[a3c? Vd[[< k41lw^Jh file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run a!}.l< ) <4,>`#NEo 第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) NrVrR80Y I ;N)jj`b >h/J{T(P>h m98j`t 由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 RQ#gn .,[zI@9 总结 Sc;WraEn2 2-i>ymoOS 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 =h^cfyj 1.模拟 pS
vDH- 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 a?CV;9 2.研究 wE:hl 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 (Vglcj 3.优化 zlIXia5 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 r'M|mQ$s> 4.分析 ~M%r.WFpA 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 TOV531
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。 Bo8+uRF| hHF YAh 参考文献
.Ya]N+r* [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). ^EE3E' O.e^?ysp/ 进一步阅读 ?V%x94B \"c;MK{ 进一步阅读 g<O*4
]= 获得入门视频 ?U:?o_w - 介绍光路图 K~OfC - 介绍参数运行 g,U~3# 关于案例的文档 I&qT3/SVI - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens +Ck F#H ~ - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ~hPp)-A - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing .Y[sQO~% - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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