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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) y6-XHeU 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 .oqIZ\iik 1l5JP|x ,:)`+v< 简述案例 C&+6>L@ rh!;|xB|+ 系统详情 $A2n{ 光源 PT'MNH - 强象散VIS激光二极管
UMU2^$\iS 元件 |A\a4f'G - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) LlHa5]E@6 - 具有高斯振幅调制的光阑 =dZHYO^Cv 探测器 o.m:3!RW - 光线可视化(3D显示) vDFGd-S - 波前差探测 *nC(-(r:J` - 场分布和相位计算 f>2MI4nMG - 光束参数(M2值,发散角) u5B:^.:p 模拟/设计 /@"Y^ - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 I9?Ec6a_ - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): Fh8lmOL;? 分析和优化整形光束质量 g^7MMlY% 元件方向的蒙特卡洛公差分析 u0QzLi, lk3=4|?zsE 系统说明 X6\ sF"E -C-yQ.>\T#
H,QTYXi " 模拟和设计结果 B07v^!Z> AY,].Zg[
)5_jmW`n 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 5]5 KB; W3H+.E
:o46rBs
g%nl!dgS A1"SLFY 总结 cPDQ1qre! `=UWqb(K_ 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 a5YIUVCv 1.模拟 _oG&OJ@ 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 x/!5K|c 2.评估 q%Yn;g|_ 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 nKoiG*PI 3.优化 Hc^W%t~ 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。 TX=yPq 4.分析 A A^{B 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 (wRgus D^Jk@<* 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。 ^r6!l. QnQOm"" 详述案例 ntFT>g{B #T w@wfaq) 系统参数 M{g%cR0 i|`dWOVb 案例的内容和目标 N@ \&1I`c$ d?wc*N3 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'
H0-[ 5"XC$?I<}
FMA6_fju4 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ;oZ)Wt 之后,研究并优化整形光束的质量。 5GA C`}} 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 WHXj8*]6 F8-?dp f' 模拟任务:反射光束整形设置 I9h ?;( 引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 'R-3fO??? Od f[*
xvl3vAN9 Ym%xx!9
L:XC n3AaZp[ 规格:像散激光光束 ;AO#xv+# V |(H|9 由激光二极管发出的强像散高斯光束 4=<tWa|@9 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 I:K"'R^ vz.>~HBP
!*RqCS, MxT-1&XL
FEVEp aDO! 规格:柱形抛物面反射镜 93Co}@Y;Y+ wF(( 有抛物面曲率的圆柱镜 wgCa58H76 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 hjZKUMG(k 曲率半径等于焦距的两倍 R(q~ -3~ dFKM
8_jH [Xb@Wh:yG 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) !pD*p)`s bv&;R 对称抛物面镜区域用于光束的准直 }Y;K~J 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) /!c${W!sY 离轴角决定了截切区域 |yx6X{$k
` @nl 规格:参数概述(12° x 46°光束) ,7<f9 EVY On?p 9^9
c%MW\qx #Y$hNQQ$F 光束整形装置的光路图 J+`VujWT 6I%5Q4Ll
ZIQ
[bE7 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 y&V@^"` 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。 =3L;Z[^9 Z<vKQ4G 反射光束整形系统的3D视图 )ubiB^g'm J:Qa5MTWp
"1%5, ZzSz%z_sE 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ljb7oA3cP4 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 Ymg|4%O@ <ZNzVnVA 详述案例 #w' kV# INJEsz 模拟和结果 PpAu!2lt9 7eAX*Kgt<_ 结果:3D系统光线扫描分析 Eea*s' 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 sVOyT*GY 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 G|!on<l& )v.=jup[ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd c9&xe"v 0@%v1Oja 使用参数耦合来设置系统 [D\k^h AJF#Aw `o 自由参数: /w}u3|L$ 反射镜1后y方向的光束半径 Jcrw#l8|C 反射镜2后的光束半径 Y2~nBb 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) OG>}M$Ora 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 1pgU}sRk 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 oY H^_V }khV'6"'|
{#@W)4)cA -#N.X_F
\D*KGd]M0 V<T9&8l+: 自由参数: hYG6 pTCb 反射镜1后y方向的光束半径 a6) BqlJ 反射镜2后的光束半径 #ML%ij 1 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) woGAf)vV# 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 P*3BB>FO 3
:<WY&9 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 ',JinE95 d,B:kE0Y pL/DZ|S3 结果:使用GFT+进行光束整形 EVsC >rz {Tq_7,8
-z)n?(pftm Y[}>CYO 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 3u*4o=4e F%@aB<Nu 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 gG(fQ
89U" >4TaP*_ 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 Krqtf +0nJ 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: g| I6'K!< [+n*~
e> e}vZlX d928~y
W file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd jCOIuw 3Q.#c,`jV 结果:评估光束参数 YNKHN2E8 }ppN k:B 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 &=] ~0$ 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 =Y|VgV
Ezc?#<+7 Ug>~Rq] 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。 6t[+pL\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) u8&Z!p\ ls\WXCH file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd G|!Tj X7s %[Wh [zZy 光束质量优化 H<i]V9r n8~N$tDU 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 [8 ]z|bM 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。 bzBEX mC Y!-M_v / 结果:光束质量优化 ;=)k<6 Dp,L/1GQ8 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 mqD}BOif _S<3\%(0
@ym v< Mo +%yfcyZ. 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) ^a0um/+M} N.,X<G.H
{f3YsM;]C file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd at#ja_ hd t<.)Z-Ii 反射镜方向的蒙特卡洛公差 Elcj tYu4 4KhV|#-;k 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 5d Eh7XL aH)}/n 这意味着参数变化是的正态 V#2+"(7h #xsE3Wj-X
!JHL\M>A5 [M]
对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 UOv+T8f= 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 I667Gz$j5 H%qsjB^
!"?#6-,Xn !#], hok8X file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run eBZXI)pPh QO<jI#
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) U dT*E: 6 g0xuxK;9c
2V-
16Q'% >c1qpk/ 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。 ]l_\71 orzZ{87 总结 !,wIQy_e4 ? &o2st 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 =MQoC:l 1.模拟 u@Ih GME 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 1{)5<!9! l 2.研究 : %lTU 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 .5^cb%B* 3.优化 jD$,.AVvz 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 RuLi,'u 4.分析 R/~p>apg8 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 e>} s;H, 可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 "Gsc;X'id >!eAM ) 参考文献 ;km`P|<U [1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). ~8q)^vm>f? :}He\V 进一步阅读 !a{^=#qq&I v,FU^f-' 进一步阅读 8}I$'x 获得入门视频 du<tGsy - 介绍光路图 &PR5q7 - 介绍参数运行 2,DXc30I 关于案例的文档 Mo|;'+ - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens [T8WThs - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ak7bJ~)X= - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing u4t7Ie*Q - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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