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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) BrNG%%n 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*M}=`M$ RwAbIXG{0 \3H<z@; 简述案例 ><;l:RGK| 'a;ini 系统详情 gx!*O<|e4 光源 +A8=R%&b)[ - 强象散VIS激光二极管 L4YVH2`0) 元件 h1^9tz{ - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) ?%\mQmjas - 具有高斯振幅调制的光阑 ~K5Cr 探测器 *[d~Nk%Y$ - 光线可视化(3D显示) IF&g.R - 波前差探测 -yX.Jv - 场分布和相位计算 ";wyNpb( - 光束参数(M2值,发散角) G 2% 模拟/设计 LPEjRG, - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 g2g`,"T - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): Cz'xGW{ 分析和优化整形光束质量 8 A2if9E3 元件方向的蒙特卡洛公差分析 RGT_}ni -Wl)Lez@ 系统说明 PHQ{-b?4t :D"@6PC]
'R^iKNPs 模拟和设计结果 !(kX~S lZ}izl
GN\8![J 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 i Td-n9 #V<`U:.
;EK(b
yB-.sGu mWNR( ()v 总结 [X;>*- X3P&"}a 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ~_ *H)| 1.模拟 |if'_x1V 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 V-[2jC{ 2.评估 n`P`yb\f$ 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 uVN.= 3.优化 VVs{l\$=ZV 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。 vGXWwQ.1Tp 4.分析 @Ppo &> 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ?sV[MsOsC S*4f%! 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。 joe9.{ ows^W8-w 详述案例 fCLcU@3W? -r!42`S 系统参数 /
>%L[RJ4 /Z:N8e 案例的内容和目标 v#zPH5xo aIQOs 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 /v5qyR7an mj)PLZ]
0[.3Es:_ 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 -<6v:Z 之后,研究并优化整形光束的质量。 d;{y`4p)s 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 A
6 :Q< USprsaj 模拟任务:反射光束整形设置 4 &|C} 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。 5Yl6? Gi*<~`Gr
Y =9j2 ]t m`'=)x|
H-185]7 /M:H9Z8! 规格:像散激光光束 vEF=e r]9 e^ 由激光二极管发出的强像散高斯光束 3)y{n%3L 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ?!H)zz6y w$b~x4y%
}S,-uggz i (0hvV>'
)6G"* n? ]f@O R 规格:柱形抛物面反射镜 8hZwQ[hr 0vDg8i\ 有抛物面曲率的圆柱镜 P])L8zK 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ZY)%U*jWU 曲率半径等于焦距的两倍 AQe!Sqg' ?NlSeh `
VwN!B: 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) YxJ`-6 iOll WkF 对称抛物面镜区域用于光束的准直 C%]."R cMC 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) uWTN2jr 离轴角决定了截切区域 k Q~ %=pn AVv#\JrRW 规格:参数概述(12° x 46°光束) "c,!vc4 Ra0=q4vdk
9k}<F z"^. n26>>N 光束整形装置的光路图 _jmkl
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7
5|pp 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 EI\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。 E+z18Lf? F@1d%c 反射光束整形系统的3D视图 y:,9I`aW <5I1 DF[
UWw}!1 <BPRV> 0X 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 wyzOcx>M 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)。
,gmH2. q &
b5g ! 详述案例 \vVSh (Xo SG 模拟和结果 .H2qs{N! $/paEn" 结果:3D系统光线扫描分析 #k9< 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 {5-zyE 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 qg4fR' i YjLe(+WQ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd (Y2mmd jTfi@5aPY 使用参数耦合来设置系统 hiwIWd:H @KA1"Wb_ 自由参数: > :Ze4}( 反射镜1后y方向的光束半径 !| xZ6KV 反射镜2后的光束半径 wbi3lH:; 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) g~!$i`_b 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。 xGRT"U( 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 c
0-w6 7~b!4x|Z
!5UfWk\G 2xn<E>]
JUQg 'D ]*;F. pZ 自由参数: Q0~j$Jc 反射镜1后y方向的光束半径 2]2H++ 反射镜2后的光束半径 :6lwO%=F 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) s<&[\U 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 gvyT-XI 0^#DNq*NQ 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 O@jqdJu ,[`$JNc xo Gb 结果:使用GFT+进行光束整形 //.>>-~1m :c7CiP
((|IS[ 3taa^e. 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ]1sNmi$T QaQ'OrP
由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 OVR?*"N_ z(H?VfJo 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 -@M3Dwsi3 RUGv8"j 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: ~Ltr.ci JE!("]&
\.<KA y
~AmG~ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ll<mE, n"G`b 结果:评估光束参数 t1ze-Ht; \c7>:DH 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。 \[#t<dD 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 _%Z P{5D>
`,Orf ZMb .Yx_:h=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。 J%Mnjk^_\S 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) S~3\3qt$ 6sB$<# file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd |J3NR`-R !/hsJ9 光束质量优化 C1QV[bJK EJm4xkYLj1 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。
c Zvf"cIs 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。 k^An97J p=gX!4,9< 结果:光束质量优化 - k`.j it1/3y
=] 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 s@!$='| YG[w@u
>ttuum12w +K{LQsR] 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。) ,W*H6fw+ u^4h&fL
V'StvU
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd _x % 1 F {gU&%j 反射镜方向的蒙特卡洛公差 =u|~
<zQw 4%_M27bu[ 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 pbn\9C/ MYdx .NZT 这意味着参数变化是的正态 sN/+ N.hzKq][
Zdn!qyR` 5 DFZ^~ 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。 <z) E(J\ 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 g}Qx`65: \=nrt?
T+CajSV %l$W*.j|; file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run &;>4N"] m,tXE%l 第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) jv&+<j`r Q`6i =mB;
`&*bM0(J '^}+Fv<O 由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 (3%t+aqq -cfx2;68 总结 %Fft
R1" `}8&E(< 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 E%3TP_B3 1.模拟 y0IK,W'&? 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 fL6e?\Pw 2.研究 Yc#IFmC} 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 0I%: BT 3.优化 FvXqggfGv 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 2`Gv5}LfyR 4.分析 Tr .hmG U 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 eOY^$#Y 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。 l(:kfR~AC -dRFA2Y 参考文献 5*G%IR@@LK [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). \:/Lc{*}MD |wp,f%WK 进一步阅读 ' 4O- VLI' 进一步阅读 CL9yEy"V 获得入门视频 OJ3UE(,I= - 介绍光路图 Ly #_?\bn - 介绍参数运行 r9@AT( 关于案例的文档 (^: p - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
BIMKsF Zt - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens \}dyS8 - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing ,8VU&?`<} - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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