| xunjigd |
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) 7x.%hRk 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 `!\ivIi^ ](r
^.k,R =.m6FRsU 简述案例 nYv#4* hQh9ok8S 系统详情 67<CbQZoN3 光源 ~] =?b)B - 强象散VIS激光二极管 V*B0lI7`B 元件 ` DCU>bt&R - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) %u]6KrG18b - 具有高斯振幅调制的光阑 ?)A2Kw>2 探测器 eFQQW`J - 光线可视化(3D显示) l%"`{ - 波前差探测 &R]pw`mTH - 场分布和相位计算 ;?6>mh(` - 光束参数(M2值,发散角) O OlTrLL 模拟/设计 $fArk36O# - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 m% bE-# - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): zi!#\s^ 分析和优化整形光束质量 `\FI7s3b 元件方向的蒙特卡洛公差分析 >7-y#SkXdo j)D-BK&+ 系统说明 |Mg }2!/L :k!j"@r
{*=E?oF@ 模拟和设计结果 SfI*bJo>V 7u%a/ <
$^vP< 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 H/i<_L P ko[TDh$T5
RebTg1vGu
r=csi HCc` 总结 L~MpY{!3 )*[
""& 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 M'u=H 1.模拟 _@prmSc 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 NiTJ}1 l 2.评估 {'IFWD. 5 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ,+-? Zv 2 3.优化 '0Zm#g 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。 fNxw&ke8& 4.分析 B
T7Id 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 b[g.}'^yht _W9&J&l0so 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。 ^g]xU1] * IIP.yyh> 详述案例 t-lv|%+8 b?k4InXh 系统参数 S8*> kM' jaqV[*440U 案例的内容和目标 nO_!:6o". 5+FLSk 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 " dT>KQ D Q 5W6W
@KJV1t` 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 %^')G+>i 之后,研究并优化整形光束的质量。 e`ex]py<C 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 "UpOY 6h@+?{F. 模拟任务:反射光束整形设置 [0op)Kn 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。 ;@!;1KDy ^f0(aYWx
U9F6d!:L7A Oo/8Y
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>t,O2~ ]+lF=kkc% 规格:像散激光光束 ;*`_#Rn#
|`v^ d| 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ~ a>S#S 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 \d5}5J]a&n 5*XH6g F
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9/Wn!Ld +WdL 规格:柱形抛物面反射镜 * 2%oZXF K
/ZHJkJ7 有抛物面曲率的圆柱镜 pLJeajv)z 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 Hi7G/2t@` 曲率半径等于焦距的两倍 (l2<+R%1 Q6|@N~UeZ X_!$Pk7ma 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) K]MzP|T, oo'iwq-\ 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Y}ky/?q 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) 1V\1]J/ 离轴角决定了截切区域 +ruj 4zwif& 规格:参数概述(12° x 46°光束) U#$:\fT XC2Q*Z
|/t K-c6J @@; 1%z 光束整形装置的光路图 I'P.K| "R 3} l;
#e*$2+`[A 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 /:^tc/5U] 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。 wb@]>MJ}[s |:}L<9Sq 反射光束整形系统的3D视图 -/1d& r*>QT:sB
P0Aas)! '2j~WUEmg 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Zq9>VqGe 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 KM E XT$p }el,^~ 详述案例 3 k`NNA })q]gMj 模拟和结果 ^=3 ^HQ'Zm A03I-^0g+
结果:3D系统光线扫描分析 ~LSy7$rz 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 qP@L(_=g 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 p~ mN2x ] Jr|K> file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd "rL"K e-1;dX HL 使用参数耦合来设置系统 z)r8?9u OrzM
hQaf 自由参数: K T%i,T 反射镜1后y方向的光束半径 P:jDB{ 反射镜2后的光束半径 EC0zH#N 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 3@%BA(M 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。 ]U#JsMS 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 rGGS]^ elNB7%Y/
&`-_)~5] 3{6ps : w
x4/T?4k :LU"5g 自由参数: -wJ 反射镜1后y方向的光束半径 $gXkx D 反射镜2后的光束半径 /vMQF+ 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) Cln^ 1N0 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 ,M| QN* D:+)uX}MOf 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 xzuPie\ # w
i&n 9<+;hH8J_r 结果:使用GFT+进行光束整形 "v*oga% 9(i0"hS^
IS3e|o*]MP eV@4VxaZ 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 B4PW4>GF
{Q}!NkF1 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 OaX HJ^k q}wl_ku9+ 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 7*R{u*/e //ne']L 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: r3*+8D~a_ [i2A{(x
liBAJx ~Rx~g file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd l"2^S6vU &ryl$!!3H 结果:评估光束参数 =*@MQ !y[}| 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。 H8(0.IR 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 ;$E~ZT4p
LC~CPV'F My'9S2Y8nv 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 FN{H\W1cf M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的) K|P9uHD xMO[3D&D file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd xg*\j)_} 7UeE(=Hr5 光束质量优化 DctX9U( A &X 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 "t3uW6& 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。 AQJ|^'% ^=4I|+P,6. 结果:光束质量优化 Huc3|~9
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a} 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 W>aQ
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ONt?~v *o:BoP=S 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) @'k,\$ / :
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Pl>nd)i` file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd iMOPD}`IX Y%n{`9= 反射镜方向的蒙特卡洛公差 t(uB66(_F i"2J5LLv 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 F1{?]>G &UJTy' 这意味着参数变化是的正态 y4)ZUv,} A$H+4L
#2ZrdD"5kQ MIk #60Ab 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。 eY6gb!5u 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 JWUv H &kr_CP:;
n##w[7B* On2Vf*G@| file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run <.?^LT }R(0[0NQe- 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) sTYuwna~
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Q9 x` Uy dH2j*G Ij 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。 `0n 7Cyed ~,`\D7Z3 总结 fxtYo,;$ #Kb)>gzT 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 7DHT)9lD/ 1.模拟 VQG /g\ 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 e5"-4udCn 2.研究 Js^r]=\F' 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 f4aD0.K.g| 3.优化 t<EX#_i, 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。 7Da^Jv k 4.分析 &a2V-|G', 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 +gD)Yd 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。 }ii]cY CpP$HrQ 参考文献 ]>S$R&a [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). ](
U%1 DY+8m8!4H 进一步阅读 Do[ F+Y ;>QK}#' 进一步阅读 rTH[?mkf4 获得入门视频 m;tY(kO - 介绍光路图 g^<q L| - 介绍参数运行 Yf2+@E 关于案例的文档 XM5;AcD - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens +_|cZlQ& - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ][>M<J - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
U%B]N@ - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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