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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) {({
R: !c 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 $4sAnu] DhHtz.6 $f9 ,##/ 简述案例 X,&`WPA:S &&ja|o- 系统详情 *u58l(&`8 光源 =Z^un&' - 强象散VIS激光二极管 9#ZzE/ 元件 9GtLMpy - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) SCqu, - 具有高斯振幅调制的光阑 HhzkMJR8 探测器 coW)_~U| - 光线可视化(3D显示) y(V&z"wk[ - 波前差探测 {npOlV - 场分布和相位计算 \A` gK\/h - 光束参数(M2值,发散角) D\@e{.$MZ| 模拟/设计 w 7Cne%J8 - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 _xa}B,H - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): U<K|jsFo 分析和优化整形光束质量 |{zHM2 3gD 元件方向的蒙特卡洛公差分析 g9M')8a n '9f6ZAnYpQ 系统说明 A{G5Plrh N `J:^,H
v`@5enr 模拟和设计结果 ;O Q#@|D 4F}g(
)-MA!\=< 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 !IfI-Q bX a %EMF
3csm`JVK
-bv>iIC
#8P#^v]H 总结 oH!$eAU? cdd P
T 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ZD$-V3e` 1.模拟 "bv,I-\ 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 p7%0hLW 2.评估 Xw&QrTDS` 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 b #o}=m 3.优化 a7ub.9> 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。 LsuAOB 8 4.分析 %i;r]z- 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 0sq=5 BnO 67Af} >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。 QCZ,K"y MzBfHt'Rk 详述案例 e[d7UV[Knn n's2/9x 系统参数 Z"teZ0H .=.yZ 案例的内容和目标 <~IH` fvAh?<Ul 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 j1'xp`jgv DDqC}l_
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[@G. 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 U89]?^|bb 之后,研究并优化整形光束的质量。 r6gt9u: 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 sR7{ i .y/NudD 模拟任务:反射光束整形设置 [ZL r:2+z 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。 y9l#;<b 7Va#{Y;Zy
N"q+UCRC (%ri#r
ECmHy@( a}[=_vb}K 规格:像散激光光束 /-G qG)PX oo$WD6eCR 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ?~]1Gd 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 >#"jfjDuR %x cM_|AyR
YoSo0fQA ims=-1,
"NXm\`8 9H
!B) 规格:柱形抛物面反射镜 _{2Fx[m% L.I}-n 有抛物面曲率的圆柱镜 B BApL{ 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 $v?! 6: 曲率半径等于焦距的两倍 i5>J -Y
6.?z .yFg$|y G 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) \>aa8LOe <'o 'H 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Z;"4$@|qE 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) :?&WKW 离轴角决定了截切区域 7(+OsE ^J#*n;OQ3A 规格:参数概述(12° x 46°光束) *`S)@'@:( ,
$D&WH
Je4.9?Ch xsY>{/C 光束整形装置的光路图 2RSHBo u75)>^:I
N,sqr k] 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 yuy+}]uB@ 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。 \^;|S cc2 oFn 反射光束整形系统的3D视图 ?-.Ep0/ cciAMQhA
C9z~)aL}7 *k@0:a(> 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 \0^r J1* 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 m|e*Jc p.TiTFu/ 详述案例 s:m<(8WRw NbdMec 模拟和结果 ^*?B)D =, QE{;M 结果:3D系统光线扫描分析 _?(hWC"0 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 W:+2We @ 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 MLv.v&@S o,''f_tRQ| file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd e2Kpx8kWj thZ@BrO# 使用参数耦合来设置系统 yOn2}Z @cTZ`bg 自由参数: h2/1S{/n] 反射镜1后y方向的光束半径 1VyO?KX' 反射镜2后的光束半径 yK>0[6l 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) RwE*0 T 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 \dxW44sM 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 M;vlQ"Yl' /nD0hb
2cX"#."5p c[d'1=Qiy
h7W%}6Cqkw lJ>QTZH!wW 自由参数: &"j).Ogm4 反射镜1后y方向的光束半径 Uc4L|: 反射镜2后的光束半径 @<w9fzi 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) EBL,E:_) 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 TLL[F;uZ O"s`-OM;n 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 ^s(X VVA aa YQ< { d2f)ra. 结果:使用GFT+进行光束整形
!K^Z5A_; WJh;p: q[
}A'<?d8
U37?P7i's 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 #+ lq7HJ1 <11Tqb 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 ,,H$>r_; T~~$=vP9 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 vhquHy.qi# pv?17(w(\ 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: g$-D?~(Z *ZSp9g"Z
/%q9hI ~
GT\RAj[ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd !9<RWNKV)Y <iprPk 结果:评估光束参数 F+y`4>x 53+rpU_ 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。 ]E8<;t)# 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 qpwh #^2
U#]eN[ U!I_i*:U 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。 Md?bAMnG+} 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) 16> >4U:Y jnKM6%z file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 3w:Z4]J L9YwOSb. 光束质量优化 v7OV;ea$ \NQ)Po@z 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。 I7z]%Z 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)。 *=If1qZs [11-`v0 结果:光束质量优化 8OtUY}R '%RK KA 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。 MbF e1U]B n]fbV/ x
/uz5V/i0 <w2NJ~M^ 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。) ~S_IU">E `rdfROKv
P$
dgO file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd pD6g+Taj <^'+]? 反射镜方向的蒙特卡洛公差 eF;1l<< g!Yh=kA'N 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 =
hX-jP '=5_u 这意味着参数变化是的正态 /Vd#q)b%T |Ge/|;.v`
p}zk&` m"7 R
4O 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。 YB1DL^: 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 N3c)ce7[
p{svXP K
sr@XumT bnY8.Lpf| file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 2&K|~~ <H@!Xw; 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) {ro!OuA ts\>_/
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qS2g mL5f_Fb+ 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。 -&D6w9w ,zw=&)W1 总结 ~(L +4] %c/"A8{ eb 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 wvaIgy%z 1.模拟 "v(]"L 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 sH,)e'0 2.研究 lbU+a$ 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 "_@+/Iy. 3.优化 ZV4'
|q 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。 ',s7h" 4.分析 vk+%#w 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 t}+c/ C%b= 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。 /~huTKA} XTaWd0Y 参考文献 *"sDaN0@R [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). A?k,}~ 9,> Y 进一步阅读 "(&`muIc -?` l<y( 进一步阅读 #( J}xz; 获得入门视频 YgOgYo{E! - 介绍光路图 Q09~vFBg - 介绍参数运行 =d.W'q| 关于案例的文档 @wJa33QT - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens f8jz49C - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 6-}e-H - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing J$*["y`+ - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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