| 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)
+vr|J: 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 A"3"f8P8a [g/ &%n0^ 5cF7w 简述案例 YHp]O+c W>_K+:t 系统详情 n8+_Uww 光源 "C]v - 强象散VIS激光二极管 <eh<4_<qF 元件 ip+?k<]z - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) kgb:<{pJ - 具有高斯振幅调制的光阑 @e#{Sm 探测器 a5k![sw\ - 光线可视化(3D显示) Ajm - 波前差探测 TpGnSD - 场分布和相位计算 f-BPT2U+ - 光束参数(M2值,发散角) u2E}DhV 模拟/设计 HhZ>/5'( - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 FyhLMW3 - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): 7~qyz]KkE 分析和优化整形光束质量 ^Q#g-"b 元件方向的蒙特卡洛公差分析 uPVO!`N3 &SW~4 {n: 系统说明 K'c[r0Ew 3E-dhSz:i
D~zk2 模拟和设计结果 wBlo2WY rqWD#FB=z
@@3%lr71
场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 K2qKkV@ [gIvB<Uv
XY,!vLjL
P_.zp5> (:>Sh0. 总结 !BjJ5m gl~9|$ivj> 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 |/%X8\ 1.模拟 zXW)v/
ZD
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 `D? &)Y 2.评估 gX~lYdA 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ~,Kx"VK 3.优化 V`4/oM` 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。 XD%GNZ 4.分析 2AXf'IOqE 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 bo-lT-I `PtfPt<{ 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。 ATF>"Ux (&1565 详述案例 SQ057V>'= Sg<
B+u\\ 系统参数 &S=xSs:q. }E^k*S 案例的内容和目标 }2''}-Nc ";Q}Gs} 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 $#-O^0D y[';@t7CC
(H;,E- 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 bl-D{)X 之后,研究并优化整形光束的质量。 Zg3
/,:1 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 t+#vcg,G kA/yL]m^S 模拟任务:反射光束整形设置 {n{-5Y 引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 lvH} 8lJ >W6?!ue_
bR<XQHl L5wR4Ue)
^|(VI0KO M7=|N:/_ 规格:像散激光光束 hm0MO,i" t8ORfO+ 由激光二极管发出的强像散高斯光束
|`pDOd 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 WJ/X`?k bb}Fu/S
t{e}3}LEd ]VaMulb4
5nXmaj ?>NX}~2cf 规格:柱形抛物面反射镜 W)AfXy
%?BygG 有抛物面曲率的圆柱镜 JvF0s}#4 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 qG3MyK%O\ 曲率半径等于焦距的两倍 ^@)*voP#G \F14]`i -ZoAbp$ 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) Z fd `Fu =
O|}R 对称抛物面镜区域用于光束的准直 H#3Ma1z 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) Ap> H-/C 离轴角决定了截切区域 I:M15 4'y@ne}g! 规格:参数概述(12° x 46°光束) k{ulu y>c Yw!
"}b/[U@> !1#=j;N` 光束整形装置的光路图 w3M F62: ,WE2MAjhT
5Vr#>W 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 t')%;N 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。 bUe6f,8, {a,U{YJ\H
反射光束整形系统的3D视图 C?]+(P U:gvK8n
t\O#5mo f%yNq6l 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 |`d-;pk!% 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)。 xu@+b~C\ 6 )lWuY]e 详述案例 q:mqA$n hLaQ[9 模拟和结果 \q"vC1,9 +*G<xW :M 结果:3D系统光线扫描分析 TVK*l* 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 A27!I+M 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 cHJ4[x= Wf=hFc1_@ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd |N|[E5Cn !gi3J @ 使用参数耦合来设置系统 REPI>-| I.p"8I; 自由参数: Kc`#~-`,( 反射镜1后y方向的光束半径 a``Q}.ST 反射镜2后的光束半径 w}U'>fj 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) A`V:r2hnb 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。 ,qIut|C* 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 4+Y9":< $Zj3#l:rK
o`nJJ:Cxq- C\*0621
fz%e?@>q 1_>w|6;e 自由参数: [ub)`-6 u 反射镜1后y方向的光束半径 ?+L7Bd(EF% 反射镜2后的光束半径 N`LY$U+N| 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) c
LfPSA 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。 ]:Pkh./ !*}E 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 c@$W]o"A <<&SyP \F<C$cys\ 结果:使用GFT+进行光束整形 3A3WD+[L h_B
nQZ\
+u3vKzD `eKFs0M. 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 k>#-NPU$ d6A+pa'2 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 =g)SZK F ZN}T{< 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 @"afEMd :!fU+2$`^( 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: 'E cd\p wdRk+
uP1]EA )_K:A(V> file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd XXb,*u 3 ES5a`"H 结果:评估光束参数 [k=LX+w@ <H|]^An!H 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。 >ajcfG.k( 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 WB" 90!
o3.b='HAm 2`V(w[zTr 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。 (n2=.9k! 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) sX(rJLbD '3B7F5uLx" file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd oMKG M@V g?> 光束质量优化 #3YYE5cB p9eTrFDy? 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。 Wbi12{C 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)。 $ ~/x;z: Y~UWUF%aK 结果:光束质量优化 )Nl xW5 #ihHAiy3 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。 a'7RzN ,] Jy0(g T
(o!i9) / 16 r_l 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。) '^BTa6W}m ?aU-Y_pMe
\m+;^_;5GW file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd A~8-{F 31 xUIH,Fp-9 反射镜方向的蒙特卡洛公差 j`-9. B`|H}KU 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 jo"zdb =]-D_$S~ 这意味着参数变化是的正态 }Q_ }c9? {Yv5Z.L&(
O_Z q` @8 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 ExSy/^4f 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 l8d }g 5I0j>{U&
zC!Pb{IaH 6"V86b0)h} file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run eX o@3/ Y^'mBM#j 第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) {Lvta4}7( x-SYfvYY
I>@Qfc
bG ^%/d]Zwb 由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 fCi1JH; - s0QEQ 总结 7G23D u=sZFr@m[ 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 CK1gzIg> 1.模拟 iuEQ?fp 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 j.UO>1{7 2.研究 k
E-+#p 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 kSO:xS0 _N 3.优化 ASaNac-3 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 3mXRLx=0> 4.分析 yo#fJ` 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 eed!SmP 可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 e `Tssa+ .q9i10C 参考文献 IHj9n>c)[ [1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). =%9j8wHX i}Cy q 进一步阅读 {_]<mw d usI$ 进一步阅读 u'aWvN y+ 获得入门视频 A]OVmw - 介绍光路图 &y.6Hiy& - 介绍参数运行 d]Mjr2h 关于案例的文档 SgY\h{{sP - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens a9TKp$LP` - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens hB-<GGcO < - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 9E]7Etfw - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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