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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) |8'}mjs.Q 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 p& _Z}Wv Ak?9a_f
=`3r'c 简述案例 =FzmifTc t{]
6GlW 系统详情 D,cD]tB2 光源 xw8k<` - 强象散VIS激光二极管 4mDHAR%D 元件 CH4Nz'X2 - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) -dM~3' - 具有高斯振幅调制的光阑 ;5/Se"Nd 探测器 ^UvL1+ - 光线可视化(3D显示) 6|EOB~| - 波前差探测 XZOBK^,5^B - 场分布和相位计算 >)WE3PT/O" - 光束参数(M2值,发散角) =8l' [ 模拟/设计 TgcCR:eL= - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 x<l 5wh - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): D+!T5)>( 分析和优化整形光束质量 (f&V 7n 元件方向的蒙特卡洛公差分析 cIO/8D#zU j0L%jz 系统说明 791v>h )j8'6tk)Z
rPB Ju0D" 模拟和设计结果 I;XM4a Kh3i.gm7g
&3iI\s[ 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 a0ms9%Y;Q[ hWt_}'
!\'w>y7
F[coa5 gX!K%qJBg 总结 5i6Ji( CRo@+p10 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ?.,F3@W " 1.模拟 A@3'I ; 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 KYTXf+ oh 2.评估 {%wrx'< 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 MTwzL<@$ 3.优化 htYfIy{5w 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。 P=}l.R*1G 4.分析 @^0}w k 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 %Ok#~>c -n@,r%`UK 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。 p_xJKQS T7qp ({v?Q 详述案例 &4wSX{c/P iw.F8[}) 系统参数 :2
\NG} *vNAm(\N 案例的内容和目标 k Jz^\Re [?6+ r 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 + $M<ck?Bo +^J&x>5
aAcQmq TT 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 &xr (Kb 之后,研究并优化整形光束的质量。 A/ zAB3 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 hAgrs[OFj :"Vmy.xq 模拟任务:反射光束整形设置 {dh@|BzsbH 引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 W<#Kam:8e kJ* N`=
ht\_YiDg3 3
JlM{N6+
6ZjUC1 Y xnZ0MY 规格:像散激光光束 5-4 4{,!'NA 由激光二极管发出的强像散高斯光束 {DVMs|5;^ 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 p*jH5h cy U*EBH
;Gp9
? 0 lE+Duap:
iqF|IVPoi .'
v$PEy 规格:柱形抛物面反射镜 %f\j)qw OHY|< &* 有抛物面曲率的圆柱镜 Ga^:y=m 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 vqF=kB"P 曲率半径等于焦距的两倍 ,-n_(U h1Y^+A_ _Kli~$c& M 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) ,=pn}\R uxX 3wY;M 对称抛物面镜区域用于光束的准直 XB[EJGaX 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) #T>pu/EQX_ 离轴角决定了截切区域 xyV7MW\?w (s+}l? 规格:参数概述(12° x 46°光束) | @B|o- DEPsud ;
6 G,cc U$=Z`^< 光束整形装置的光路图 >qMzQw2 X2 <fS~m
wgQx.8 h> 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 z2A,*|I 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。 ASSe;+yp 2`V0k.$?p 反射光束整形系统的3D视图 5o^\jTEl^ zq$0 ?vGd
pCeCR Nah\4-75& 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 qP9`p4c8i 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)。 ws;|fY $m-@ICG# 详述案例 MbQ%'z6D nbv}Q-C 模拟和结果 Co/04F. )ItW}1[I 结果:3D系统光线扫描分析 gP ^A 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。
(2
P&@!| 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 Kciz^)'Z /RF&@NJE5 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ?%T]V+40 Gg^gK*D 使用参数耦合来设置系统 !W b Q9o TQpR' 自由参数: `@&WELFv{ 反射镜1后y方向的光束半径 MdnapxuS 反射镜2后的光束半径 E,/nK 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) _]< Tv3]RK 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 <.
V*]g/; 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 =s:Z-*vy! *b`1+~p_2
(ul_bA+ )SaMfP1=v
1#XZVp;M \XbCJJP 自由参数: \mFgjPz 反射镜1后y方向的光束半径 WXa<(\S\V 反射镜2后的光束半径 dFk$rr>q 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) -S%Uw 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。 LP>GM=S#" ?0d#O_la3 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 ;(Z9. o}L\b,]) s[t?At-> 结果:使用GFT+进行光束整形 VP }To =pb ru=/
C)&BtiUN/ >B$B|g~ 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 I9sQPa =BO>Bi&& 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 1 l-Y)
' $"RQ= 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 r_Pi)MPc nR,QqIFFw 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: fy>~GFk( !)EYM&:Y
4@9xq<<5 =<r1sqf
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd @h%Nn)QBq pE{Ecrc3| 结果:评估光束参数 CE|rn8MB CS;4 ysNf 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 =DXN`]uN 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 /Uni6O)oc
{Lsl2@22 |u#7@&N1 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 zCmx 1Djz M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的) ^K:-r !v^ ,3Aiz|v- file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 2I_~]X53[ 6P02= 光束质量优化 B|r' #1p\\Av 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 :c9 H2 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。 4i+H(d n 5a5)hmO RB 结果:光束质量优化 `ix&j8E22w QVkrhwp 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 2u(G:cR a[E}o<{
cT
nC @jKB[S;JSn 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) #cqI0ny?G !iW>xo
pz]!T' file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd *$@u`nM $#E!/vVwD7 反射镜方向的蒙特卡洛公差 aAgQ^LY _P*QX 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 0x fF gzN51B =D 这意味着参数变化是的正态 k&17 (Tv$ sEi9<$~R@0
QSOG(}w [gj>ey8T 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。 U+&Eps&NI 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 x
kdC-S #gXxBM
I8uFMP wYQEm file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run s%1ZraMvJ <T]ey 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) zpZfsn! @4n>I+6*&
"Cs36k L2OR<3*|Av 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。 e0hY t8`wO+4@ 总结 =Q*3\)7 G=|~SYz 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 .h(iyCxP 1.模拟 lX"6m}~D 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 w/*m_O\! 2.研究 b7B|$T, 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 uaZHM@D 3.优化
w"C,oo3 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 Nnq1&j"m 4.分析 gFsqCx<q 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 O&,8X-Ix 可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 1xInU_SPf lnRL^ } 参考文献 l]OzE-*$b [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). Hz)i.AA 4 F~eY'~&H} 进一步阅读 8|zOgn{ %r8;i 进一步阅读 <>728;/C 获得入门视频 `46z D
? - 介绍光路图 &xUD( - 介绍参数运行 Qxk & J 关于案例的文档 # 1dg% - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens u1=K#5^ - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens hCS} - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing qG ? :Q - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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