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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) F{~r7y;0 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 {eN{Zh5" .t[ZXrd|0 :k(t/*Nl3 简述案例 B\>}X_\4 *Ne2l`!1m 系统详情 }.V0SM6 光源 @ZR4%A"X4 - 强象散VIS激光二极管 {)9HS~e T 元件 @^6OV) - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) (`.qG
&6p - 具有高斯振幅调制的光阑 ss@}Dt^ 探测器 #s
R0* - 光线可视化(3D显示) '#
IuY - 波前差探测 C"Q=(3 - 场分布和相位计算 \If!5N - 光束参数(M2值,发散角) @j2*.ee 模拟/设计 )/T$H| - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 *
r4/|.l - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): ( WtE`f;Q 分析和优化整形光束质量 4\SBf\ c 元件方向的蒙特卡洛公差分析 EJ;0ypbG $]U5 系统说明 V& j.>Y {G1aAM\Hz
D)ne *}, 模拟和设计结果 xnuv4Z}]t cU5"c)$'
,#jhKnk2e 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 -1r &s |od4kt
VO;UV$$
cvXI]+`<3\ -,fa{ yt- 总结 V_A,d8=lt 6|>\&Y!Q 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 g=g.GpFt 1.模拟 ]1|Ql*6y, 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 kl3S~gE4@ 2.评估 6n6VEwYj 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 s3_e7D ^H 3.优化 _?]BVw 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。 +65~,e 4.分析 @U
/3iDB\ 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 Bpm5dT; F2PLy
q 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。 ~Riu*< T:g4D z*2\ 详述案例 78a-3){ '=Kof1 系统参数 !G"9xrr1 N{hF [F 案例的内容和目标 3gI[]4lRH Zu0;/_rN 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; MCi` TXr
V^`?8P8d 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 3?*M{Y| 之后,研究并优化整形光束的质量。 Y0X"Zw 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ^QXw[th!d
a:-)+sgHw 模拟任务:反射光束整形设置 HL(U~Q6JQ 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。 s7.p$r {n'qKurxY
.W@(nQ-< ,h@R' f!
F[7Kw"~J vlPl(F1 规格:像散激光光束 Q9yGQu /Oggt^S 由激光二极管发出的强像散高斯光束 R*Xu(89 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 5U)ab3: FM9X}%5nu9
*1Ut} Wiq{wxe
s,$Z("B YH'$_,8peM 规格:柱形抛物面反射镜 B|Fl,55 @3-,=x 有抛物面曲率的圆柱镜 Gq0]m 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 @ kJ0K 曲率半径等于焦距的两倍 7>'uj7r]= tIGVB+g{F y^mWG1"O 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) A[^qq UL' z29qARiX 对称抛物面镜区域用于光束的准直 n%0]V Xx# 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) kfqpI
离轴角决定了截切区域 S]e j=6SP +9CEC1-l 规格:参数概述(12° x 46°光束) <$i"zb >Lw}KO`
@cuD8<\i 49+ >f 光束整形装置的光路图 hncS_ZA Qy=HrL]x
OuOk= 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 ET,Q3X\Oe 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。 Dd!Sr8L[ ^w:OS5 %R 反射光束整形系统的3D视图 uFwU-LCe yaH
Trh%
.7
(DxN y4xT:G/M 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 lQV|U;~D 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)。 .O5LI35, xab]q$n]k 详述案例 1Yc%0L( @gt)P4yE 模拟和结果 *:=];1O s<A*[ 结果:3D系统光线扫描分析 ?mH@`c,fM 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 D4< -8 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 "| Kf'/r r1i$D file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd [096CK IFiTTIlT0 使用参数耦合来设置系统 <jbj/Q )" cu[!D}tVU 自由参数: f>.4-a? 反射镜1后y方向的光束半径 +"]oc{W! 反射镜2后的光束半径 X'cf&>h 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) j((hqJr 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。 :e1'o 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 JXpoCCe n!GWqle
CN$I:o04C \r)%R5_CQ
y^2#9\}K :3JCvrq 自由参数: }o-|8P:Y 反射镜1后y方向的光束半径 2
9q?$V( 反射镜2后的光束半径 %$Aqbd 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) @ru<4`h 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 aK]7vp+ K!GUv{fp 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 wD`[5~C{ IuNkfBe4m H{ZLk, 结果:使用GFT+进行光束整形 #nKRTb+{ cv3L&zg M
Ig<}dM.Z[ kEO1TS 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 +9RJ%i&Ec ~%`EeJwT 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 NdZ)[f:2 <nBo}0O} 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 d7E7f hHpx?9O+! 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: B$ui:R/ t [q'eENG
(wife#)~ #zxd;;p3 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd i<mevL
^\MhT)x 结果:评估光束参数 F#su5<d sc%dh?m7 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。 Vn'?3Eb< 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 )!i!3
EJ G2^DSS D ZVXz|g 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。 ?1CJf>B > 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) K5{{:NR$ 4Q;<Q" file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd \*uugw,\y okz]Qc>G 光束质量优化 pajy#0 U mbyih+amCr 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。 8)pB_en3sO 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)。 0(8gQ
2n e8{^f]5 结果:光束质量优化 MI\]IQU pw3(t 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。 ugI#ZFjJWE \n_3Bwd~
2SciB*5 ;,rnk- 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。) OF8WDo` <7^Kt7k
6 Uw;C84! file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd Jn*Nao_) g5}lLKT 反射镜方向的蒙特卡洛公差 E5gl ^Q?Z D-pX<0-y 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 .b,~f N<liS3> 这意味着参数变化是的正态 '00J~j~ e\r7BW\Y
UfKkgq# )Oiev u_"| 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。 < eQ[kM 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 J)*8|E9P nWGR5*e:
b@6:1x |{f~Ks% file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run (B:uc_+ o8{<qn| 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) 1~@|eWr| Fg=v6j4W
rz.IoQo [D[D`gpjA 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。 cy3M^_5B< o?wt$j- 总结 _2OuskL U:n*<l-k} 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 :B.G)M\ 1.模拟 v459},!P 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 o1k#."wHr 2.研究 p=B?/Sqa 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 L/x(RCD 3.优化 yp+F<5o 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 (6R4 \8z2 4.分析 iyj3QLqE 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 %S`ik!K"I 可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 jDTUXwx7V azX`oU,l 参考文献 :l"dYfl [1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). lKWr=k~ bS rZ{l 进一步阅读 ?Y3@" rdR o&$hYy"<.L 进一步阅读 tD-gc''H 获得入门视频 nxQ}&n - 介绍光路图 Yy
h=G - 介绍参数运行 ? )_7U 关于案例的文档 /{X_
.fv<v - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens Ae49n4J - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens {/ &B!zvl - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing |$e:* - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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