| 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) 6o
|kIBte- 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 9:fOYT$8 D;oe2E{I FqkDKTS\& 简述案例 {FO;Yg' O#x*iI% 系统详情 Vx(B{5>Vu 光源 J1/?JfF - 强象散VIS激光二极管 m$`RcwO 元件 Jpj}@, - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) ZtV9&rd7 - 具有高斯振幅调制的光阑 K)-U1JE7 探测器 ;>506jZ - 光线可视化(3D显示) mYxuA0/k - 波前差探测 jYx38_5e - 场分布和相位计算 Wc,_RN- - 光束参数(M2值,发散角) *Nw&_<\9Q 模拟/设计 F|F]970 - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 ~1cnE:x;V - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): w ihH?~] 分析和优化整形光束质量 3j,Q`+l/6d 元件方向的蒙特卡洛公差分析 'Hc-~l>D 2]I4M[|&z 系统说明 xgABpikC^ ,%n\=
@L>q(Kg 模拟和设计结果 N<f"] CJ(NgYC h
UV5Ie!\nm 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 [!!o-9b (>F%UY
x6(~;J
EzDk}uKY0R ^sa#8^,K 总结 kV?y0J. "nZ*{uv 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
-%2[2p 1.模拟 Z&ZP"P4 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 iDMJicW!+F 2.评估 pV.Av 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 UH]l9Aq$P 3.优化 =Qh\D 利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 Fp@TCPe# 4.分析 M9EfU 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 8'~[pMn` NZ;{t\ 对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 pcau}5 . ' pm2n0 详述案例 }~#pEX~j* Sczc5FG 系统参数 Vm%1> '& FQT~pfY 案例的内容和目标 /<E5"Mm% S?RN?1 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 SeHagKA yMyE s 8
TftHwe):V 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 [E+$?a= 之后,研究并优化整形光束的质量。 K/A*<<r
~ 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 $}lbT15a N5* u]j 模拟任务:反射光束整形设置 hZh9uI7. 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。 C3< m7h fNb`X
R16'?, hc~s"Atck
CF+_/s#j^ SGh1 DB 规格:像散激光光束 ) _mr! z(S MxSM@3 v( 由激光二极管发出的强像散高斯光束 )E6;-rD0^+ 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 B+[A]dgS \zieyE
RRmLd/( qY~`8
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L !=4N!j !O-C,uSm 规格:柱形抛物面反射镜 ]?3un!o3o '&.# 有抛物面曲率的圆柱镜 !,[C]Q1 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 T32+3wb"I 曲率半径等于焦距的两倍 Yu?95qk tP 6:q"l\n> Vl_:c75" 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) fQL"O}Z Mr?Xp(.}G 对称抛物面镜区域用于光束的准直 @)
s,{F 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) ]Tkc-ez 离轴角决定了截切区域 *NkA8PC nA
P.^_K 规格:参数概述(12° x 46°光束) Lg~B'd8m f8M$45A'
+<xQM h8 \"CZI<=TB 光束整形装置的光路图 1QmH{jM Y2d;E.DH8
\2ZPj)&-E 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。
1WY/6[ 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。 0$7s^?G0 Kl2lbe7 反射光束整形系统的3D视图 ~=8uN< KN7^:cC
#ggf' QIHp H2
$GIY 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 3dht!7/ 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)。 ogL EtqT ua5OGx 详述案例 TUHi5K z;A>9vQ_J 模拟和结果 Qtbbb3m; HPb]Zj 结果:3D系统光线扫描分析 SfJ./ny 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 ]%BWIqbr 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 J9\a{c;. ?;vgUO file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd YqPQ%
%g1,Nk 使用参数耦合来设置系统 TjHwjRa OCZ[D{i9@ 自由参数: $/=nU*pd 反射镜1后y方向的光束半径 iC W*]U 反射镜2后的光束半径 tZ `z 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) ?t+5s] 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 K4]g[z 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 bYi`R) IkrF/$r
hQ(qbt{e SB5&A_tr
L0&RvI# ^s@8VAwi 自由参数: qTAc[Ko 反射镜1后y方向的光束半径 FBpH21|/y 反射镜2后的光束半径 &g.@u~SI1 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) Ee@4 %/v 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。 MXzVgy uu}x@T@ 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 lY{FSGp G7)Fk%> /v/C<] 结果:使用GFT+进行光束整形 Ya;9]k8,
u1z
>m#e:[N KN?6;G{ 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 *P 3V /}Lt,9 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 $Bj;D=d@V + +aL4: 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 *;m5'}jsy zoDH` h_ 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: esHQoIhd ?gPKcjgoH!
;b`[&g >[Ye file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 63.wL0~ F:D
orE 结果:评估光束参数 #fJ] o_ cuK,X!O 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 Ndo a4L)$ 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 NTS#sgP
P%#*-zCCx !^v5-xO?rP 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。 l#lF
+Q; 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) +8v9flh 2-"0 ^n{ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd _[Vf547vS iSFuT7;% 光束质量优化 8a_[B~ M.nvB) 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。 8E8N6 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)。 @h*fFiY&{ }g3+{\x8 结果:光束质量优化 *loOiM\5a jS;J:$>^ 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 U,+[5sbo mo1oyQg8
<H0R&l\ :> & fV 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) rU;RGz6} }lK3-2Pk
k^ YO%_ file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd Ug:\ %0 #XPc(" 反射镜方向的蒙特卡洛公差 [HN|\afz ? tfT8$ 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 8)kLV_+% 50
A^bbid 这意味着参数变化是的正态 l ^d[EL+ ltkI}h,e
;SwMu@tg U|HB=BP 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。 wZ4tCZA 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 ]`bQW? nuo Pg3Nl
H33i*][H pDQ}* file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run bWZbG{Y. Kf 2jD4z} 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) /t6X(*xoy BC,.^"fA6
be e5 lNv".Y=l 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。 [ >^PRs DAg58
=qJ 总结 MG /,== cpt<WK} 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 +fx8muz:y 1.模拟 (Y+N@d 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 |v[ Rp=?] 2.研究 bu&t'?zx! 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 p#SY /KIw 3.优化 D0mI09=GtQ 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。 ,Rx{yf]k 4.分析 w'X]M#Q>< 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 _5MNMVLwW 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。 #{9G sD +,v-=~5 参考文献 <`!PCuR [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). c9j*n;Q /H:I 68~ 进一步阅读 jKZt~I f'q 28lVf 进一步阅读 >xA),^ YT 获得入门视频 Z?J:$of* - 介绍光路图 >/<:Q & - 介绍参数运行 ^v9|%^ug 关于案例的文档 yAL1O94 - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens W>M~Sk$v - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens |wox1Wt|E - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing D;Gq)]O - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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