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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) /j@ `aG(a 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 [d>yo_iB ;@~*z4U (`?
snMc 简述案例 No\&~ l?_!eA 系统详情 @ibPL+~-_ 光源 6FMW g:{ - 强象散VIS激光二极管 _O9H._E 元件 [:@?,?V\N - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) }/3pC a - 具有高斯振幅调制的光阑 6'!{0 5=m 探测器 >I~z7JS - 光线可视化(3D显示) u@u.N2H.% - 波前差探测 W+C_=7_ - 场分布和相位计算 v};qMceJ - 光束参数(M2值,发散角) 0.+eF }'H 模拟/设计 fO!O"D5 - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 aZGDtzNG5h - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): g_c)Ts( 分析和优化整形光束质量 \&)W#8V 元件方向的蒙特卡洛公差分析 q'@Ei4 wD^do 系统说明 X`QW(rq !H=k7s
i/~QJ1C 模拟和设计结果 w?W e|x3 f,inQ2f}d
4@iJ|l 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 ruA+1-<f r tmt 3
m{dyVE
h21(K} VD3MJ 8!w 总结 _s-HlE?C
q,JA~GG 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 33*d/%N9 1.模拟 yZ)aKwj%U 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 EZumJ." 2.评估 1(7.V-(G 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 'Mx K}9 3.优化 R:BBNzY}f 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。 3H}~eEg, 4.分析 'S4EKV] 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 rspoSPnY1 >dvWa-rNUT 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。 &DQ4=/Z \i;&@Kp.N 详述案例 0mD;.1: VFmg"^k5 系统参数 I<(.i!-x hN:F8r+DG 案例的内容和目标 jw(>@SXz ={E!8" 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 ~{,vg4L y(3c{y@~X
Xtu`5p_Qv 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Lr?4Y 之后,研究并优化整形光束的质量。 ncJFB,4 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 -wRyMY_D L+~YCat|$U 模拟任务:反射光束整形设置 %6IlE.*, 引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 ,*nZf| -Mi}yi
q]i(CaKh <V:<x
<[y$D=n x
!:9c< 规格:像散激光光束 {~p7*j^0 Ng'ZAG;O 由激光二极管发出的强像散高斯光束 lKV\1(` 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 i+X2M-[Ls UrhM)h?%
,P@/=I5
>)n4sMq
OSa}8rlr' .qIy7_^ 规格:柱形抛物面反射镜 EAD0<I<>
.mT#%ex 有抛物面曲率的圆柱镜 G_^iR- 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 W`Q$t56 曲率半径等于焦距的两倍 Kl aZZJ .A*VLF*m zD)IU_GWa 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) P!FEh'. ]~prR? 对称抛物面镜区域用于光束的准直 &>W (l. 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) 'wz\tT ^ 离轴角决定了截切区域 z#{0;t 0eqi1;$b] 规格:参数概述(12° x 46°光束) aVppOxA %kK
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B.22
DuE# XVrm3aj(m 光束整形装置的光路图 R81{<q'%X +HOCVqx
<'}b*wUB 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 b46[fa 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。 ~_u*\]- -t@y\vZF, 反射光束整形系统的3D视图 cPq Dsl3 <G~}N
.~. ``a AXl!cgi 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 UCn*UX 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)。 MX!u$ei v[{8G^Z}54 详述案例 ]6t]m2~\ Uvjdx(fY[a 模拟和结果 )-+\M_JK5 rU=b?D)n!w 结果:3D系统光线扫描分析 9Fy\t{ks 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 nT.L}1@ 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 gppBFS 1R=)17'O file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd H96BqNoO YgE]d?_h 使用参数耦合来设置系统 tZaD ${ V$/u 自由参数: E?3 0J3S 反射镜1后y方向的光束半径 m:)Z6 反射镜2后的光束半径 nG"tO'J6 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) ?EI'^xg 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。 W@I
02n2H 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 ;^R A!Nj vk
@%R
]y3pE}R kOs(?=
T4OguP= 3iE-6udCS 自由参数: $ A-+E\vQ@ 反射镜1后y方向的光束半径 I
jZ]_*^! 反射镜2后的光束半径 +kjzn]}f 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) }JRP,YNh 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。 i 8l./Yt/
-Y*VgoK% 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 $.H:8^W 3/X-Cr+d *)limqe3"$ 结果:使用GFT+进行光束整形 B\Xh3l]+j kTnOmAw
N>+ P WE$ Lltc4Mzw 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 &^V~cJ V,V*30K5 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 q`XW5VV{K C>.e+V+': 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 B\\6# z< z*Wz 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: EQ4#fAM) ,zQo {.
_eGT2,D5r l^.K'Q1~a file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd P Q7A~dw9 _`H.h6h 结果:评估光束参数 &e5(Djz8t |+>uA[6# 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。 {@?G 9UypA 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 N;uUx#z
*c{wtl@ :z]}ZZ 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。 M :V2a<!c 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) *n8%F9F P`
#QGZ> file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd %m9CdWb=w l71gf.4g 光束质量优化 7c-Gm R2 +noZ<KFW
" 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。 >&OUGu| 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)。 7|YN:7iA \#CM
<% 结果:光束质量优化 -T7%dLHY ;6ky5}z 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。 -D^L}b =VNSiK>F
I]h-\;96 h4/X
0@l` 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。) mL woi!]m [8"oj hdV
LOr|k8tL% file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd (zG.aaz*C $J.T$0pFa 反射镜方向的蒙特卡洛公差 *5e+@rD` K$H
<}e3 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 1G;8MPU Jic}+X*0 这意味着参数变化是的正态
m*Lo|F H6&7\Wbk
z%1{ +Ng0WS_0 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。 P}V=*g 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 +R6a}d/K >E:<E'L
3LDsxE=N:q `Gd$:qV file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run '7*=`q{
EVt?C+ 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?3Mpn Ri#H.T<'
1f#mHt:( auHFir8f 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。 e8}Ezy"^ fQ 7vL~E 总结 y#v"GblM `TtXZ[gP} 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 #z!^<, 1.模拟 Lq (ZcEKo 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 WKmbNvN^ 2.研究 Q7gY3flg 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 4 =Gph 3.优化 5,pSg 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。 !:CJPM6j3 4.分析 ]XA4;7 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 ceT&Y{T 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。 1mH%H*# ^YvB9XN 参考文献 i)ASsYG! [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). (k`{*!:1a N]N4^A' 进一步阅读 Z5(enTy- >T jJA# 进一步阅读 x;\wY' 获得入门视频 S/ [E8T" - 介绍光路图 al&(-#1 - 介绍参数运行 rw7_5l 关于案例的文档 RthT\%R - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens xJs;v - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens x3pND - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing ^pnG0(9 - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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