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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) k1
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 W9ewj:4\0 Obm@2;^g6 *|DIG{ 简述案例 =#c?g Wb56 8FY/57.W 系统详情 qg;fh]j% 光源 k(v8zDq* - 强象散VIS激光二极管 a>{b'X^LV 元件 Q9
*N/2+ - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) `X7ns? - 具有高斯振幅调制的光阑 )!``P?3? 探测器 (W l5F
- 光线可视化(3D显示) 044*@a5f - 波前差探测 "nK(+Z - 场分布和相位计算 n/3gx4.g - 光束参数(M2值,发散角) gB?~!J? 模拟/设计 \4.U.pKY - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 H.ZmLB - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): = ?hx+-' 分析和优化整形光束质量 "jUr[X2J 元件方向的蒙特卡洛公差分析 6T_Mk0Sf+ ]d@@E_s] 系统说明 R.EA5X|_
Bjz\L0d
=e)[?{H 模拟和设计结果 aQEMCWxZ Svmyg]
2\z"6 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 _r}oYs%1 /WVnyz0
[k9aY$baT^
.FnO Lw]:/x 总结 .wD>0Ig q(Y<cJ?X 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 o2 5kFD 1.模拟 VT\o=3_ 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 xi=qap=S^9 2.评估 eYurg6Ob~ 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 )CzWq}: 3.优化 q($lL~Ls 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。 VX<ZB +R 4.分析 rSD!u0c[ 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 Mc9P(5Bf ]rDf3_!m( 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。 WG;1[o& FG~p_[K 详述案例 m%$z&<! ;C%D+"l1g 系统参数 Lrr^obc #(jozl_8 案例的内容和目标 aho;HM$hjP u!%]?MSc 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 Oah}7!a) I~qS6#%r
qoMYiF}/e 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ML0o:8Bd\ 之后,研究并优化整形光束的质量。 `OnN12` 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ^6 +P&MxM jz|zq\Eek 模拟任务:反射光束整形设置 I<.3"F1} 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。 2|o6~m<pE w?.0r6j
j?6%=KuX< 0z."6r
W;,.OoDc> 9c806>]U^ 规格:像散激光光束 Zb7KHKO{ v|jBRKU99 由激光二极管发出的强像散高斯光束
:XF;v 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 7I`e5\ u /yIkHb^c
K2L+tw ReP7c3D>p
=4yME WB5[! 规格:柱形抛物面反射镜 !l_1r$ G3 #c 有抛物面曲率的圆柱镜 #:{PAt 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 %Md;=,a:6 曲率半径等于焦距的两倍 HPpKti7g IZ3w.:A (I, PC*: 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) ^o|igyS9 aD3'gc,l 对称抛物面镜区域用于光束的准直 a`GoNh, 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) 1d|+7 离轴角决定了截切区域 "VkraB.i a)4.[+wnRf 规格:参数概述(12° x 46°光束) cy?u
* tp_*U,
d/- f]
Eti;(>"@ 光束整形装置的光路图 =4/lJm`` r_I7Gd
E@R7b(:* 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 {k}S!T 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。 #+QwRmJdT! 6\g]Y 反射光束整形系统的3D视图 P$Xig kfg9l?R$I<
+Ld4e] xgL*O>l) 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 DK&J"0jz, 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)。 MI!C% p-y,OG 详述案例 br>"96A1l CG@ LYN 模拟和结果 6N :fq 3F[z]B 结果:3D系统光线扫描分析 Bh"o{-$p8` 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 %gJf&A 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 zy8W8h(? -2w\8]u file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd YT}m
8Y y!."FoQ 使用参数耦合来设置系统 @ bPQhn#(g W'-B)li 自由参数: *rK}Ai 反射镜1后y方向的光束半径 UOZ"#cQ 反射镜2后的光束半径 5K;jW 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 6^s=25>p 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 bf-.SX~ 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 F# y5T3(P lSUEE0V%Q
't{~#0d= TPt<(-}W
#Fl"#g$ p./zW
)7+ 自由参数: -{>JF 反射镜1后y方向的光束半径 xD,BlDV 反射镜2后的光束半径 "e0$/WQ6J 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) * h!gjbi 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 _)yn6M'Dt t)=u}t$ 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 -[|R\'i [DC8X P5< HbX>::J8 结果:使用GFT+进行光束整形 c]v$C&FX y9{KBM%h
G ?jKm_`L D/'kYoAEO 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 >Olg
lUzA mQhI"3!f 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 7](,/MeGG -uIu-a] 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 B<u6Z!Pp2 2%'{f 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: ARGtWW~: J70#pF
Wl/oun~o 2w>WS# file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 'X d_8. Z,^`R] 9 结果:评估光束参数 /bv1R5 xeF0^p7Z 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。 @e8b'w3 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 RZ-=UIf
SU~t7Ta!G I`^
7Bk.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。 N DZ :`D 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)
$A]2Iw!& HT0VdvLw file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 4$#nciAe dQT A^m 光束质量优化 n!z7N3Ak> Z0uo.
H@.N 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。 /'k4NXnW3 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)。 ebK/cPa8 -c|dTZ8D)8 结果:光束质量优化 z SDRZ! n}/?nP\% 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。 5Iine n3> Y"6
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:>4pH y (@j;Q3(r 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。) *(wkgn ecaEWIOG
qWX%[i% file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd kDbDG,O ]^j:}#R 反射镜方向的蒙特卡洛公差 kZ7\zbN> {w:*t)@j 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 J<hqF4z $/*19e~ 这意味着参数变化是的正态 cq:<,Ke ere h!
(K9pr>le DQ%bcXs 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。 qaJ$0,]H+ 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 riw0w E)w6ZwV
WV5z~[ $d0xJxM file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run BNi6I\wa 6d~[j<@2 第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) DBTeV-G9~R vge4&H3a&
~EIK wHx@&Tp 由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 XBx&& 9dS <^E(ZF 总结 CCoT qZQB"Q.* 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 6=N!()s 1.模拟 m\*;Fx 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 hA=.${uIO 2.研究 qmmQHS 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 L#h uTKX} 3.优化 $ljzw@k 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 m[aBHA^g 4.分析 PFR64HK2 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 C2e.RTxc
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 j(aok5:e O q3aboAt 参考文献 7QSrC/e [1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). :O?+Ywn 9}-;OJe 进一步阅读 B1^9mV'O RnV#[bM{ 进一步阅读 @kstG3@ 获得入门视频 ]mzghH:E - 介绍光路图 wWYo\WH' - 介绍参数运行 o?,c#g 关于案例的文档 m!Y4+KTwD` - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens C>NLZMT - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens x*'2%3C~ - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing E;1QD/E$ - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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