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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) 6bF?2 OC 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 Z]kk.@P RZ 4xR cVya~ * 简述案例 c@;$6WSG^ })RT2zw} 系统详情 ?@8[1$1a 光源 HxCq6Y_m< - 强象散VIS激光二极管 v'gP,UO-%D 元件 ^wN x5t - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) :ZG^`H/X1d - 具有高斯振幅调制的光阑 k]?M^jrm 探测器 A`_(L|~ - 光线可视化(3D显示) '?7th>pC - 波前差探测 =.NZ{G - 场分布和相位计算 {,EOSta - 光束参数(M2值,发散角) &Uq++f6 模拟/设计 t9T3e - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 64xq@_+ - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): 5y-8_)y8o 分析和优化整形光束质量 C$Pe<C# 元件方向的蒙特卡洛公差分析 #!V
[(/ y
Nb&;E7 H 系统说明 %. ^8&4$+ eLE9-K+
tKg\qbY& 模拟和设计结果 DwM4/m SxV(.i'
^@f%A< 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 6&V4W"k AdBF$nn[
CY2DxP %
f5D.wSY 5c6CH k`: 总结 5"(AqXoq 9Br2}!Ny 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 "a;z 1.模拟 $__e7 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 6ExUNp @U> 2.评估 _|%pe]St 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 bDd$79@m 3.优化 lsmzy_gV7 利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 jRIjFn|~{Y 4.分析 8\c=Un 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 H{|a+ SR>Sq2cW0 对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 %4QCUc*lr h.0Y!'? 详述案例 x" 21 Jh f:iK5g 系统参数 -f?Rr:# =uKGh`^[ 案例的内容和目标 ,Yhy7w bqY}t. Y&" 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 w`XwW#!}@$ .&2p Z
FI@2KM 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 U!m-{7s$ 之后,研究并优化整形光束的质量。 it!i'lG 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 zSta!] pJ7wd~wF* 模拟任务:反射光束整形设置 9_IR%bm 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,|*KN*e`W 9R.IYnq
@~6A9Fr \phG$4(7+
Re?sopg0r ,-u | l 规格:像散激光光束 6suB!XF; N3^pFy` 由激光二极管发出的强像散高斯光束 b7fP)nb695 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 X70 vDoW aq3evm
g#FqjE|mx 6$wS7Cu
R= HN>(U @t`|w.]ml 规格:柱形抛物面反射镜 z.23i^Q GV)#>PL 有抛物面曲率的圆柱镜 ]!H*oP8a* 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 FVLXq0<Cj 曲率半径等于焦距的两倍 +Cx~4zEq Y5LESZWo tjk Y[ 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) xt
+fuL [a;lYsOsJ 对称抛物面镜区域用于光束的准直 7d/wT+f 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) S|;a=K&hS 离轴角决定了截切区域 DMcvu*A If6wkY6sR 规格:参数概述(12° x 46°光束) c}vy9m$B_
3@$h/xMJ
+YT/od1t7 ?t)y/@eG 光束整形装置的光路图 U._ U!U &{&lCBN
#f.@XIt' 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 05*_h0} 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。 .5L/< u!g=>zEu 反射光束整形系统的3D视图 8q7KqYu cv:nlq)
}3:TPW5S 2 T{PIJg3 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 SfJ/(q 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)。 <!X'- >i%q !QVd'e 详述案例 ^1,]?F^ ?O4Dhu 模拟和结果 i[3$Wi$ y(.WK8
结果:3D系统光线扫描分析 ;~~Oc 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 d;lp^K
M 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 &%u,b~cL? c}Z,xop<P{ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd AG}'
W }J`{g/ 使用参数耦合来设置系统 >;xEzc!W3* 58e{WC 自由参数: w?M*n<)
O 反射镜1后y方向的光束半径 =q
xcM+OX1 反射镜2后的光束半径 WS(@KN 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) jn}6yXB 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。 (!X:[Ah*$ 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 .v1rrH? 5tq$SF42X
p6=#LwL' iXl1S[.l
w5n>hz_5
L$jyeFB5 自由参数: ,7%(Jj$
^ 反射镜1后y方向的光束半径 ^"buF\3L 反射镜2后的光束半径 fE7WLV2I> 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) pNiqb+^nz 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。 :L`z~/6 4zf#zJw 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 &u=FLp5 <Isr gX(QRQ 结果:使用GFT+进行光束整形 +Z;0"'K'e &OzJ^G\o
;'o>6I7Ph
vN4X%^:( 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ["L?t ^*G *;gi52tM 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 m9e$ZZG$ 9h0|^ttF 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 UVI=&y]c,p D3^v[>E2 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: ,MvvW{EY pwZ &2&|
5~[Fh2+ ;N1FP* file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd wy-!1wd IS=)J( 0 结果:评估光束参数
?5GjH~ 3K0J6/mc 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。 &Y#9~$V= 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 [FCNW0NV
V&}Z# 9Dx 9n%W-R. 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 }oU&J81 M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的) n&V(c&C \@F{Q- file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd rvfl~<G* fsmH];"GD 光束质量优化 ?t%5 / 1)Ag|4 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 c`jTdVD 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。 tllg$CQ5 2 rBF<z7 结果:光束质量优化 j68Gz5;j 8'quQCx*= 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。 :m~lgb< r-0
7!A
4{Ak| *lTu- 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。) 0ib 6}L% D2mB4
M<L<mP} file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd xAO]u[J nbRg<@ 反射镜方向的蒙特卡洛公差 \G"/Myi (l^lS=x 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 V , "'k<y ejQCMG7 这意味着参数变化是的正态 s1FBz)yCY= x~z 2l#ow
rTJWftH! "LWp/ 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。 GJ$,@ 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 m6gr!aT M]{!Nx
;|%r!!#-t Qp54(` file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run sg y JQCwI`%i 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) g\Zk*5( h^c'L=dR
`sXx,sV?B CG7LF 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。 f:SF&t* i@6
/# 总结 @W,Y_8: &Y>u2OZ 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Y^G3<.B 1.模拟 5zGj,y>u 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 LNb![Rq 2.研究 Rt|Hma 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 ba ?k:b 3.优化 1L|(:m+ 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。 CvJm7c 4.分析 P(;c` 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
i=D,T[|>a 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。 6b|`[t ?Sqm`)\>4 参考文献 85
hYYB0v [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). M&FuXG% e2fct|' 进一步阅读 Zy%Z]dF s*f.` A*) 进一步阅读 ss<'g@R 获得入门视频 h"ylpv+ - 介绍光路图 }}_uN-m - 介绍参数运行 ^4[[+r 关于案例的文档 m { fQL - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens Uz|]}t5V - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens "BRE0Ir: - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing Z]f2& - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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