光束传输
系统(BDS.0005 v1.0)
[Vo5$w 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
T^1
Z_|A 7pyzPc#_ cQK-Euum 简述案例
:D) (3U5 A#=TR_@: 系统详情
Mu?|<#s
光源 tR|dnC4U - 强象散VIS激光二极管
Ku75YFO,5 元件
/D&&7;jJ - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜)
sCFxn - 具有高斯振幅调制的光阑
r0XEB,} 探测器
U-I,Q+[C[^ -
光线可视化(3D显示)
e|\xFV=4 - 波前差探测
kyJbV[o<# - 场分布和相位计算
-r={P_E6 - 光束
参数(M2值,发散角)
y QW7ng7D0 模拟/设计
.$18%jH# - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算
ef7{D
P - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing):
SeD}H=,@ 分析和
优化整形光束质量
&<PIm 元件方向的蒙特卡洛公差分析
N,Eap KG $^ws#}j 系统说明
K*>%,mP$i t*gZcw5 r
4o*i(W 模拟和设计结果
f4"UI-8;n e73=*~kfR
S(zp_ 场(强度)分布 优化后
数值探测器结果
}5;4'l8 6:ettdj
K92j BR
I=y7$+7%
d y HC8 总结
1xB}Ed*k ?b;2PH" 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
fMUcVTFe 1.模拟
yQK{ +w 使用光线追迹验证反射光束整形装置。
X-c|jn7 2.评估
Ie.*x'b?y 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。
4)S99|1 3.优化
wFJf"@/vJ 利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。
]`/>hH>+~9 4.分析
!T{+s
T 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。
q[&Kr+)j qjB:6Jq4q 对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。
K-0=#6?y4 u 272)@R 详述案例
!g@Ky$ 7Sx|n}a-3 系统参数
=;rLv7(a 0:$}~T9T 案例的内容和目标
lPy|>&Yc *f[5rr4 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。
mUBy*. 5h5izA'0'
aLa<zEssz 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。
|oY{TQ<<d 之后,研究并优化整形光束的质量。
!eW1d0n'+f 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。
2n<Mu Q] 'ygKP6M 模拟任务:反射光束整形设置
J(7#yg%5 引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。
{VcRur}&Y8 J @Hg7Faz
7he73 Q5,zs_j
d?zSwLsl Coi[cfg0 规格:像散激光光束
{L-^J`> G O^L]2BVC 由激光二极管发出的强像散高斯光束
1G>Ud6(3< 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动
1oQw)X 0AQazhm
2W,9HSu8 bMO^}qR`
9\Ii$Mp rzfLp 规格:柱形抛物面反射镜
IW~R{ ]6 s<I)THC 有抛物面曲率的圆柱镜
%7#<K\]) 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面
GA^hev 曲率半径等于
焦距的两倍
tFmB`*!% N!+=5! ,PeR}E;c 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型)
;_<~9; c4H6I~2Na 对称抛物面镜区域用于光束的准直
\5ls
<=S. 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型)
)+_Vx}O:} 离轴角决定了截切区域
\Zj%eW!m E'08'8y 规格:参数概述(12° x 46°光束)
m#_BF# GwX)~.i
y=Y k$:-y I9X\@lTf 光束整形装置的光路图
<V ?2;Gy *:%&z?<Fw
[JOa^U= 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。
s= Fp[>qA 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。
@:N8V[*u *C_A(n5"V 反射光束整形系统的3D视图
wm5&5F4: WVP?Ie8
G5}_NS/ kckRHbeU
光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。
(\6E.Z# 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。
JwG(WLb: lC5zqyG 详述案例
Z(MZbzY7Hq R"cQyG4 模拟和结果
ufXWK3~\ 9UM)"I&k 结果:3D系统光线扫描分析
t&?jJ7 (&8 首先,应用光线追迹研究光通过
光学系统。
OyO<A3 使用光线追迹系统分析仪进行分析。
X!KX4H 9D3W _eIc file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
[jgVN w""D |"*P`C= 使用参数耦合来设置系统
wB)y@w4k
+SFFwjI 自由参数:
PQaTS*0SXJ 反射镜1后y方向的光束半径
7y
Cf3 反射镜2后的光束半径
A/y|pg5 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量)
G&oD;NY@/ 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。
z^9oaoTl 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。
8m0*89HEu /\1'.GR
Xt$qjtVM ?mNB:-Q
JD*HG] )Xdq+$w. 自由参数:
%R GZu\p 反射镜1后y方向的光束半径
, Q0Y} ) 反射镜2后的光束半径
}83
8F& 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量)
K~:SLCv
E% 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。
S)hDsf.I d(^8#4
如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。
[]>rYZ9bv YP,,vcut k|OM?\ 结果:使用GFT+进行光束整形
f0P,j~] b
ri[&=
'xS@cFo( 0MRWx%CR 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
>/-H!jUF] ;!f='QuA 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。
,$`}Rf< JV_`E_! 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。
HS|Gz3~ EMnz;/dMt 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差:
c#x~x b_sasZo
t,YRM$P e6p3!)@P1 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
I'xc$f_+ Ucv7`W
gr 结果:评估光束参数
;?u cC@ z#gebr~_\ 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。
#~p;s> 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。
r(Sh
}"+"nf5h xY?p(>( 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。
UXji$|ET6 M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的)
IhzY7U)}T e(w c
[bv file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
+788aK,{# .4]XR/I$ 光束质量优化
tD`^qMua Xr^ 5Th\ 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。
}V]*FCpQ 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)。
L{~ ]lUo G-i2#S 结果:光束质量优化
!{*yWpZ: :.=:N%3[ 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。
`XF[A8@h H,
3Bf
bbq`gEV M gP|'H3\ 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。)
`IlhLv {
1~]}K2
{;Hg1=cm file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
l`~$cK! 41/civX>V 反射镜方向的蒙特卡洛公差
Q1Qw45$ <mP_K^9c 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。
j&dCP@G ,X|FyO(p 这意味着参数变化是的正态
o#"yFP1 gna!Q
ommW w*"Ii%iA< 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。
c61 1& 这意味着,波前对对齐误差很敏感。
`hY%HzV= 4 dHGU^#WZ
wx-&(f CD`6R. file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
g_ep
5#\D N6kMl 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)
d$o m\@
3<.DiY
o1 27? ^ RF8,qz 由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。
}JOz,SQHP L$a{%]I 总结
k~;~i)Eg ;s~xS*(C 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
Dd0yQgCu 1.模拟
9'Z{uHi% 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
wqm{f~nj= 2.研究
o9ys$vXt* 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。
Z 9cb 3.优化
orWF>o=1 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。
n9
bp0#K 4.分析
xP9R
d/xa| 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
1Z_]Ge<a 可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。
|CQjgI|; i`6utOq 参考文献
r_ m|?U
% [1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007).
r.@UH-2c ,]qc#KDq-1 进一步阅读
ZJ)>gV #mioT",bm= 进一步阅读
;=%cA#}_0 获得入门视频
8DD1wK\U~ - 介绍光路图
?st}rJ_ - 介绍参数运行
Y$^vA[]c> 关于案例的文档
A$~H`W<yxB - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
(yhnv Z - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens
`CEHl &w - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
p+1kU1F0 - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair