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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) 56VE[G 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 Z={UM/6w 0<6rU G >I. 简述案例 ^ON-# z2"2tFK 系统详情 Fwg#d[:u 光源 M^0w/ - 强象散VIS激光二极管 g%Th_= qy 元件 mNGb}
lR - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) qYQUr8{ - 具有高斯振幅调制的光阑 zDKLo 3: 探测器 O1l4gduN|i - 光线可视化(3D显示) *S,v$ VX - 波前差探测 '|h./.K - 场分布和相位计算 eYnLZ&H5O - 光束参数(M2值,发散角) 8HHgN`_ 模拟/设计 S]Yu6FtWiO - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 )1X' W - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): Q-H=wJ4R 分析和优化整形光束质量 )< X=z 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ;D%5 nnr 7 UB8N vo 系统说明 WW,r9D:/ ;+aDjO2(
Y9\]3Kno 模拟和设计结果 ,3g]=f QySca(1tN
od|N-R 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 u|:UFz^p ?eYchVq
vQ9xG))
+c~O0U1 OsHkAI 总结 +J}k_'4& {HE.mHy 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 qHcY
2LV 1.模拟 ^5^
zo~^o 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 z[<pi: 2.评估 AVdd?Ew 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 PHE; 3.优化 &~D.")Dz 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。 oeRYyJ 4.分析 J$e Z Lj 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ! X#3w-K 7Vof7Y < 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。 } SWA|x Is#v6:#^ 详述案例 ivDG3>"JG %\s#e 系统参数 sOrY^cY; d-K5nRyI 案例的内容和目标 f;qKrw o@Cn_p^X 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 r4z}yt+ ~O7cUsAi'
joSr,'x 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 B'[3kJ ' 之后,研究并优化整形光束的质量。 gIf+.^/m1 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ^b/q|(Nu& wft:eQ 模拟任务:反射光束整形设置 VN55!l'OV 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。 Lqf#,J t]YLt ,
/*xmv
$ O(WMTa'%
mc[_>[m E6KBpQcd[ 规格:像散激光光束 ?X5glDZ$ D9pxe qf+= 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ]jT[dX|? 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 \T#(rt\j c )P%O
+~v3D^L15
.ubbNp_LU
My43\p 2%No>w}/2 规格:柱形抛物面反射镜 JKu6+V jO }od7YL 有抛物面曲率的圆柱镜 5|B(K @< 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ?@uK s4 曲率半径等于焦距的两倍 H1c|b!C 2K7:gd8Ru }5c'ui!3H 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) i|! 9o: VL,?91qwe 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ,-NLUS
"w 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) -<HvhW 离轴角决定了截切区域 0kr& c;~ nQ(:7PFa' 规格:参数概述(12° x 46°光束) J$=b&$I( +^3L~?
mjr{L{H=?+ ;>x1)|n5 光束整形装置的光路图 BtBt>r(* A.cZa
TKs@?Q,J 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 M97p.; ; 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。 7-0twq
-,CndRKx 反射光束整形系统的3D视图 'H-YFB$l u$`x]K=Zsm
VDI S`E 8X~vJ^X9@y 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 kQiW 5 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)。 Q~8&pP8I! %!/liS 详述案例 Ta5iY
} T/.y(8!0I8 模拟和结果 *gMP_I lNnbd?D8 结果:3D系统光线扫描分析 E$zq8-p| 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 we).8%)' 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 Fm+)mmJP :zy'hu; file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd |N3CoB lkJ#$Ik& 使用参数耦合来设置系统 .&!{8jBX c!FjHlAnP 自由参数: -(,6w? 反射镜1后y方向的光束半径 H
{Wpf9_
K 反射镜2后的光束半径 Dve5m= 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) xB]v 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。 R$,iDv.jI 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 lcJumV=%> tg`!svL!
:1 $GKm`I"
aV%rq9Tp _BA_lkN+D 自由参数: w!k4&Rb3 反射镜1后y方向的光束半径 . T>}O0L" 反射镜2后的光束半径 6_
0w> 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) xb_:9 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 DG
FvRB j`pR;XL1[ 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 %QZ!Tb H/I`c>Zn +>%+r 结果:使用GFT+进行光束整形 fmN)~-DV9` 90v18k
W {/z-& c&W.slE6 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 c<x6_H6[8 *N+aZV}`Z 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 0'oT {iN 2g545r. 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 W,J,h6{F =5eDT~=2{U 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: *}&aK}h}I VO6y9X"
\gXx{rLW *\vc_NP] file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ',%&DA2 &fj?hYAj 结果:评估光束参数 UL"3skV ]V("^.~$+C 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。 8H b|'Q|^ 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 .ai9PsZ?V
&3?yg61Ag =^M t#h." 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。 JH;DVPX9z 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) zPc;[uHT !AHm+C_=Lg file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd ?8m/]P/~ WcG&W> 光束质量优化 Q~{@3<yEI P9^h>sV 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。 7T Bo*-! 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)。 3NWAyCq- rT) R*3 结果:光束质量优化 YTh4&wm `:4cb$ 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。 zghm2{:`?g k~dr;j
s30_lddD lukV
G2wDL 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。) vsR ^aVwVZ b1o(CG(}*
x"80c(i file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd w}b+vh^3Wy C%>7mz-v5 反射镜方向的蒙特卡洛公差 b4ivWb |` t_Wn<)XA 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 X_F= ;XF/ 6f>HE'N 这意味着参数变化是的正态 ?J?!%Mw OpE+e4~IF
[_-K D
]eF3a.G 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。 t |h mEHUk 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 <i|+p1t E>D@#I>
0]~n8mB> ZP<X#]$qb file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 5ntP{p%> b1cd5 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) )^+$5OR\c U\{Z{F%8
91XHz14
f7s.\ 由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 *1n: ~/%){t/uLY 总结 CHB{P\WF BKEB,K=K@ 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 zZHsS$/ 1.模拟 z-j \S7F 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 !@X#{ 2.研究 vrGNiGIi[ 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 M{QNpoM 3.优化 V2.K*CpZ7 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。 Yt^+31/% 4.分析 9P$'ON'" 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 .y!Hw{cq 可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 b4wJnmC8 oSoG&4 参考文献 /[L:ol6;! [1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). dEiX!k$# q.7CPm+ 进一步阅读 ~6nQ- GZw<Y+/V"5 进一步阅读 Y>+D\|%Q 获得入门视频 _xUXt)k - 介绍光路图 1"k@O)?JP - 介绍参数运行 oCrn 关于案例的文档 9[!
Hz)|X - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens QWkw$mcf - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens eD3F%wxz - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing )+G(4eIT - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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