| 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) =)vmX0vL 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 h
92\1, *CZvi0& W#87T_7T[ 简述案例 dOh'9kk3 l4?o0;:) 系统详情 Ex9%i9H 光源 ,o7aIg&_H - 强象散VIS激光二极管 :L#t?~ 元件 (G $nN*rlu - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) {Ak{
ct\t - 具有高斯振幅调制的光阑 6*cG>I.Z 探测器 l{F^"_U - 光线可视化(3D显示) R}njFQvS) - 波前差探测 }VxbO8\b( - 场分布和相位计算 J/S 47J~ - 光束参数(M2值,发散角) Ac;rMwXk# 模拟/设计 c9imfA+e - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 2-5AKm@K - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): 3-#|6khqt 分析和优化整形光束质量 ,g2|8>sJP 元件方向的蒙特卡洛公差分析 /3->TS E;$)Oz 系统说明 :=vB|Ch:~ JF!?i6V
*5Upb,** 模拟和设计结果 Ry>c]\a] \U;4\
?#?[6t 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 Dz/I"bZLC HPl!r0 h
=S/$h}Vi
nD6mLNi%a WGjT06a\ 总结 H|_^T.n?E oR (hL4Dc 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 'WK}T)o 1.模拟 1;cV [&3 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 dd1m~Gm 2.评估 3|zqEGT* 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 6Ug(J$Ouh 3.优化 {o"X8 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。 N"MK 0k 4.分析 2`>/y 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 nB"r<?n< z3+y|nx! 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。 U ^1Xc#Ff p'UY Ht 详述案例 !Cxo4Twg OJ8 ac6cJ 系统参数 ,ButNBv bK;I:JK3 案例的内容和目标 "3o{@TdU wy6> ^_z 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 N),bhYS] 2%4dA$H#4w
mqgA 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Z7RGOZQ}G 之后,研究并优化整形光束的质量。 fkE4[X7f 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 jqq96hP, YW55iyM 模拟任务:反射光束整形设置 z`UL)W 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。 W^; wr# J'^H@L/E
2[f8"'lUQ H59}d
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+c4]}9f! y<mmv~= 规格:像散激光光束 9bvz t8pc e!
V`cg0 由激光二极管发出的强像散高斯光束 BwtjTwd 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 y1R53u`;L +U/+iI>0
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i zJa`K
[kwVxaI rFJ(t7\9h 规格:柱形抛物面反射镜 QX}O{LQR Q\>9PKK 有抛物面曲率的圆柱镜 ,grdl|Dg 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 $YuVM 曲率半径等于焦距的两倍 r0kJx$f ,'[L6=# {n9]ej^
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) &}}c>]m #xL^S9P 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ,ErJUv 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) ,b;eU[!] 离轴角决定了截切区域 w@&g9e6E ',GWH:B 规格:参数概述(12° x 46°光束) `s
HrC P,5gaT)
oE:9}]N_ N8a+X|3]0 光束整形装置的光路图 Y1RiuJtL IG@.W sM_
P5 GM s 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 R'RLF
= 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。 lx9tUTaus/ uNnx
i 反射光束整形系统的3D视图 1 .\|,$ t\LAotTF/
;/gH6Z? 9W{`$30 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 %|mRib|<C 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 8W' ,T <vS J<WY 详述案例 l)y$c}U )Los\6PRn 模拟和结果 bvdAOvxChW u l[ edp_ 结果:3D系统光线扫描分析 .xJW=G{/ 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 tXj28sh$ 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 CZ&VP% \hGoD file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ,\*PpcU 3I0=^>A 使用参数耦合来设置系统 AgKG>%0 kmHIU}Z 自由参数: bvyX(^I[q 反射镜1后y方向的光束半径 TI
'( 反射镜2后的光束半径 E"LSM]^^<f 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) jSMvZJX3n 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![RRa^ 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。
r!Ujy .R 8r"$o1!
_86pbr9 [UO?L2$&
OVr,
{[r #i$/qk=N 自由参数: |#<PI9)` 反射镜1后y方向的光束半径 J:s^F
n 反射镜2后的光束半径 qs\O(K8 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) )$18a 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 AhjK*nJF )b<-=VR 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 __x2xtrH =HJ)!( "Mt4~vy 结果:使用GFT+进行光束整形 r{DR$jD `[T|Ck5
C>%2'S^.b c%2C\UB 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 qJq49}2 8Ar5^.k 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 Jjt'R`t%t sW/^82(dM 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 }9n{E-bj * tvNh@it:F 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: r;3{%S._ \0&7^
CD$0Z <b 0;Nf
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd _N`:NOM 3GEI) ! 结果:评估光束参数 S}=d74(/n G8}w|'0m 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 J%|!KQl 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 _g+^ jR4
)vH6N _ ,sEu[m 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 5<o8prtB M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的) Cx>iSx D&5>Op4U file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd W n*>h'R 4k9O6 光束质量优化 5GD6%{\O }?f%cRT$ 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。 F+.:Ry FS 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)。 !Pnvqgp/ c_#\'yeW 结果:光束质量优化 0@w8,x BR1oE3in 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。 Q+e|;Mj ImJ2tz6
xf1@mi[a x1['+!01 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。) e1'<;;; L 7P}&<;5zD
)4oTA@wR file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd /[f9Z:>V c(@V
t&gE 反射镜方向的蒙特卡洛公差 Kyy CS> H38ODWO3 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 Ktrqrl^IJ u<`CkYT 这意味着参数变化是的正态
<^j,jX '~?\NeO=
C3|(XChqC JTu^p]os? 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。 zZ3Ko3L%g_ 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 Hm=!;xAFX 0pP;[7k\
BElVkb `TNWLD@Z file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run --SlxV/x k@1\ULo 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) J!sIxwF jOs&E^">&B
DyiyH%SSD (8C
,"Dc[0 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。 Y*-#yG9 ,v;P@RL|g 总结 FX
QUj&9 vu^ '+ky 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 }:UNL^e? 1.模拟 I
f9t^T# 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 )l}Gwd]h 2.研究 D+Osz 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 T%kr&XsQX 3.优化 sqkk4w1#C 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。 }?zy*yL 4.分析 U~krv>I 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 p<#WueR[ 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。 %5|awWo_? >sW9n[ 参考文献 qKX3Npw [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). _U%a`%tU. @.Pd3CB0 进一步阅读 QKW;r pWY $aI 进一步阅读 FsI51@V72Q 获得入门视频 d{?X:*F - 介绍光路图 wO6
D\# - 介绍参数运行 37Z@a!# 关于案例的文档 V=%j]`Os - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 6?an._ C - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens #*QnO\. - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing X 4\ - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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