| xunjigd |
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) !RS9%ES_? 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 7 _`L$<-n /D]Kkm) t)` p@]j 简述案例 WzjL-a( >*I N 系统详情 q# MM 光源 W4(v6>5l - 强象散VIS激光二极管 /D<"wF }@J 元件 2K;#Evn'j - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) $[g_=Z - 具有高斯振幅调制的光阑 moMYdArj 探测器 BPqk"HG]T - 光线可视化(3D显示) {@gAv! - 波前差探测 n|Pr/ddL - 场分布和相位计算 D3`}4 A - 光束参数(M2值,发散角) n-$VUo 模拟/设计 p~K9
B-D - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 vv6?V#{ - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): EeB ]X24 分析和优化整形光束质量 3 t)v%S|k 元件方向的蒙特卡洛公差分析 P"1 S$oc 2jl)mL 系统说明 <\" .L A3HF,EG
i(*I@ku 模拟和设计结果 '_dzcN,z h>alGLN>
ZQ3_y $ 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 'Hw4j:pS Q.+|xwz
@b2`R3}9R
`2`fiKm (DDyK[t+VX 总结 Q/ZkW =oX>Ph+ P 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 3$VxRz) 1.模拟 |9Yi7. 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 QV qK 2.评估 (vc|7DX M 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 M\oTZ@ 3.优化 PmR* }Aw 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。
1tB[_ $s 4.分析 aE|OTm+@9; 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 vMla'5|l 2 -Xdoxw 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。 cu&,J#r% +Llo81j& 详述案例 mM/i^zT {f/ ]5x(_ 系统参数 ~ttY(wCV K>2 #UzW 案例的内容和目标 >^$2f&z TeQNFo^_8 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 ~]'pY iWLa> z|,
^V3v{>D> 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 }P9Ap3? 之后,研究并优化整形光束的质量。 (\a6H2z8l 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 (*\jbK )US:.7A[. 模拟任务:反射光束整形设置 N^w'Hw0 引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 Q;u SWt<{ k(%QIJH
6rN(_Oi- {g6Qv-
fP HLXg5s x9W(cKB'S 规格:像散激光光束 }_
mT
l@* ILwn&[A0 由激光二极管发出的强像散高斯光束 v$wBxCY 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ?=;qK{)37 !yOeW0/2[
!xIm2+:( BxK^?b[E8
sZ&G%o "
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-%B 规格:柱形抛物面反射镜 up'
}/P5>F<H[ 有抛物面曲率的圆柱镜 ,TJD$^ 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 X"fh@. 曲率半径等于焦距的两倍 ul f2vD =*vMA#e (Y%Q|u 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) 9#d+RT 6
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对称抛物面镜区域用于光束的准直 q my%J 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) Mwp$ 离轴角决定了截切区域 ]iNEw9 #-% A[7Cdp 规格:参数概述(12° x 46°光束) ;a{ :%t 0c^>eq]
)6KMHG gk[{2HgN 光束整形装置的光路图 BvrB:%_: D}C,![
^YdcAHjK 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 )vg5((C 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。 P|tNL}2`; R"MRnr_4K 反射光束整形系统的3D视图 l7{oi! /walu+]h
Cxod[$8 ;Vik5)D2D 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 @+F4YJmB?l 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 klgy;jSEr f
h#C' sn 详述案例 sVk$x:k1M mI*[>#q> 模拟和结果 !o=U19) [[d(jV=* 结果:3D系统光线扫描分析 l!}:|N Yh! 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 p
Dx-2:} 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 1i:|3PA~ 'bld,Do6 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ,lA.C%4au~ KDl_?9E5 使用参数耦合来设置系统 l\M_-:I+4 ^<e@uNGg 自由参数: >>aq,pH 反射镜1后y方向的光束半径 o&AM2U/? 反射镜2后的光束半径 b^D$jY 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) -[U1]R 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 x3qW0K8 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 /!^&;$A' oI)GKA_Ng7
'XY`(3q ,QzL)W7
8Og_W8 '>$]{vQ3 自由参数: Y]]}*8 反射镜1后y方向的光束半径 C2Xd?d 反射镜2后的光束半径 k+I}PuG 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) +xc'1id@[ 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 5JEbe '13ZX: 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 iyj+:t/ pV4Whq$ Ig3;E+*> 结果:使用GFT+进行光束整形 b'6-dU% 8-y{a.,u.
kJWN. x.8TRMk^ 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 s"Pf+aTW meN2ZB?Y 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 s
w39\urf ^Y-]*8;] 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 GA7}K:LP'k 6JKqn~0Kk 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: JQ4{` =,b Qs9gTBS;
%Y!Yvw^&P( )M__
t5L file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ~ek$C bdGIF'p% 结果:评估光束参数 |9~GM j"AU z)x 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 Q#nOJ(KV 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 dt2$`X18
Vp>|hj po x\Z'2?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。 \GHiLs,! 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) Bz5-ITX
C@jJ.^
<< file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd gi0W;q MwmUgN"g 光束质量优化 J>u
7, 3e(ehLc4DJ 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。 _/wV;h~R 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)。 *
S=\l@EW H,N)4;F<c 结果:光束质量优化 r\AyN=
y /4xki_} 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。 SRDXfkoI r#xg#u oj
Y(44pA&oN +[5.WC7J 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。) (PfqRk1Y 0{#8',*}m?
J/}:x;Y file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd r2k2%nI-J A45A:hqs 反射镜方向的蒙特卡洛公差 2 !'A:; <Qxh)@
N 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 V{<xff EY \H=@A 这意味着参数变化是的正态 b, :QT~g= 1x[)/@.'f
rL}YLR ?2>FdtH 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。 g55`A`5%C 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 _cu:aktf2 ,Jd
',>3
D}vmwg@3 y~75r\"R file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 4._(| sqW*
pi 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) r3>i+i42 lGVEpCS}
4fe7U=# ;Y 3;a<_cE*@ 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。 v'e[GB0 EOm:!D\ 总结 i\dc>C ; ~V$|i" 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 mW:!M!kk 1.模拟 hXA6D) 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 $ibuWb"a 2.研究 hEw-
O;T0 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 A,`8#-AX 3.优化 ;INW`b~ 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 v$N|"o"" 4.分析 rta:f800z 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 ]niJGt 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。 ahPoEh z(H^..<!5 参考文献 <A#
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35 [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). 0C>%LJ8r }X=[WCKU 进一步阅读 SI=yI- U{VCZ*0cj 进一步阅读 A*um{E+ 获得入门视频 -e8}Pm
" - 介绍光路图 F}=aBV|- - 介绍参数运行 A]DTUdL 关于案例的文档 ndeebXw* - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 4 M(-xl? - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ;v$4$D]L - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing =dFv/F/RW - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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