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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) >ca`0gu 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 ,x[~|J! $JK,9G[Vu 2ryg3%+O 简述案例 jnFN{(VH G{a_\'7 系统详情 mJVru0 光源 pWoeF=+y]W - 强象散VIS激光二极管 `Q>qmf_Fi 元件 m='_O+ $ - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) i$!K{H1{9 - 具有高斯振幅调制的光阑 6D*x5L-1o 探测器 Fj&8wZ)v) - 光线可视化(3D显示) ?,eq86-M - 波前差探测 ,!^;<UR: - 场分布和相位计算 S'IQbHz* - 光束参数(M2值,发散角) }ol<DV 模拟/设计 ^|cax|> - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 sA,2gbW - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): I$fm"N 分析和优化整形光束质量 kNrd=s,-]D 元件方向的蒙特卡洛公差分析 `;s#/ `c|/ S^5Qhv 系统说明 #<-%% S\2@~*{-8
j>hBNz 模拟和设计结果 AnBD~h h Nqbm,s
9*[!ux7h 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 S$GWY^5}{ Xh*NuHH
/jn0Xh
u$(XZ;Jg 0T:U(5Y9 总结 <x:^w'V_b Lhxg5cd 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 )6U^!95 1.模拟 9Om3<der 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ^^[A\' 2.评估 7<93n`byM 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ZBc8^QZ 3.优化 w.-J2%J 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。 TJ0;xn6o 4.分析 Ot~buf'| 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 6{[ uCxxl ~HUO$*U4<
对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 wQOIUvd rJCu6 详述案例 L\t?^u 9f3rMPVh( 系统参数 >ti)m >f di~ [Ivw 案例的内容和目标 )H*BTfmt e,@5`aYHM@ 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 D.x&N~- j=PM]
jG/@kh*m 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ua%j}%G( 之后,研究并优化整形光束的质量。 r]bG,?| 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 rCdTn+O2 ?#/~BZR! 模拟任务:反射光束整形设置 f2i9UZ$=e! 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。 _qSVYVJ u 6oq/\D$6~
##yH*{/& 3 E!F8GZ
-b'/}zz :eR\0cn 规格:像散激光光束 EnYEAjX srd\Mf_Ej 由激光二极管发出的强像散高斯光束 Mdy4H[Odq 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 rTA#4.*& BVxk}#d
l }]"X@&G S1_):JvV
1 o\COnt X;yThb`iI 规格:柱形抛物面反射镜 +qM2&M $`"$ZI6[ 有抛物面曲率的圆柱镜 &B} ,xcNO 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 Qa,$_,E 曲率半径等于焦距的两倍 ;b0;66C8| !+3nlG4cw /*m6-DC 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) 94u~:'t>V D<Z]kR( 对称抛物面镜区域用于光束的准直 W$Z8AZ{E 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) 18ON`j 离轴角决定了截切区域 Md>9Daa~ Kq}-) 规格:参数概述(12° x 46°光束) )W!\D/C+ @6{F4
UkM#uKr: fWl #CI\] 光束整形装置的光路图 Kd7 Lpw1u] Lv:;}
} v3w- 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 \NQ[w7 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。 eVGW4b c=4z+_ K 反射光束整形系统的3D视图 <ua! ]~ NdM \RD_R
ZtX\E+mC (iY2d_FQ[ 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 OA&r8WK3 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)。 '$q3 Ze sm qUFo 详述案例 #[sJKW $~'G<YYF4 模拟和结果 dG}*M25 fY 10a_@x 结果:3D系统光线扫描分析 cs)R8vuB)z 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 nSq$,tk( 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 4\14HcTcK vW5>{ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd gyOAvx R{{?wr6b$ 使用参数耦合来设置系统 Xb1is\JB 6Bn}W ? 自由参数: zz-X5PFn 反射镜1后y方向的光束半径 ){4$oXQ 反射镜2后的光束半径 r
['zp=9 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) UW-`k1 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 hGo/Ve+@ 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 X92I==-w ~?KbpB|
b:x*Hjf \d
QRQL{LL
lk4$c1ao2@ h`Xl~= 自由参数: JgcMk]|' 反射镜1后y方向的光束半径 +"PME1 反射镜2后的光束半径 *N%)+-
视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 1c:/c|shQ_ 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。 2\G[U#~bi L}>ts(!q& 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 "_ON0._(/ 0t)5K O j]6YLM@5$ 结果:使用GFT+进行光束整形 z<8WN[fB ky[ ^uQ>0
! Y'~?BI h{CyYsQ 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 l/56;f\IA jgT *=/GH2 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 2z9N/SyN +e&Q<q!,q 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 6#kK v8K4u) 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: NeniQeR ^PowL:
q(}#{OO 3s_$. file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd cfPQcB>A r\m2Oo)] 结果:评估光束参数 HLl"=m1/> /(Ryh6M 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 #
0/,teJk 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 5>rjL;
c~ Q5A BU=Ta$#BZ 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。 -m Sf`1l0 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) ]wV_xZ)l^A
u{|^5%) file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd USbFUHdDc M/jdMfU 光束质量优化 &5R-bYGW - _BjzA| 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。 w/Wd^+IIn 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)。 6?= ^8 BzI( 结果:光束质量优化 T0K*!j}O VPOp#;"% 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。 64f6D"." 4m6%HV8{}[
P.O/ZW>g N-}|!pqb 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。) Vet<,;Te ':|?M B
J24H}^~na file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd (0zYS_mA hr/|Fn+kA 反射镜方向的蒙特卡洛公差 C<N7zM wT tMr$N[@r 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 NucLf6 ]0;,M 这意味着参数变化是的正态 LgA>,. $"`e^J9!!
D?r% Y PpR
eqmo 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 ~{!,ZnO* 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 ,~7+r#q7 BmCBC,j<v>
o^<W3Z ~JohcU}d file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run k:CSH{ s5{ qnf\K} 第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) IYB;X <u2iXH5w
j9 &0/
~/ ,pVq/1 由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 l6HT}x7OiH aN~x3G 总结 n16TQe"8 i|G /x 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 YPS,[F'B. 1.模拟 \`WAG>'l5 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 1DM$FG_Z- 2.研究 <W88;d33r= 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 u&$1XZ!es 3.优化 FSS~E [(DL 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。 E1Rz<&L 4.分析 t)b
/c:ql 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 "
{Nw K 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。 mbZg2TTy l[{Ci|4 参考文献 t:qPW<wc [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). I}1<epd , 60%EmX
; 进一步阅读 a1A3uP 0p!N'7N 进一步阅读 <^B!.zQ 获得入门视频 ?+y# t? - 介绍光路图 dF0:'y - 介绍参数运行 jX
6+~ 关于案例的文档 &}vc^io - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens cUZ^,)8
Z - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 0vdnM8N2 - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing gj1l9>f>]a - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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