光束传输
系统(BDS.0005 v1.0)
&{)<Q(g 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[ULSYEi ? Fqh
i )Rr6@o 简述案例
[bLKjD ~B<\#oO 系统详情
v}>g* @
光源 DksYKv - 强象散VIS激光二极管
}$?FR 元件
[[T7s(3 - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜)
oKGH|iVEe - 具有高斯振幅调制的光阑
r$<!?Z 探测器
ZllmaI -
光线可视化(3D显示)
d%EdvM|) - 波前差探测
J~x]~}V& - 场分布和相位计算
fb
f&bJT - 光束
参数(M2值,发散角)
?!ap@)9 模拟/设计
M]8>5Zx. - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算
mtUiO
p - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing):
XRaGV~ 分析和
优化整形光束质量
c<13 r=+ 元件方向的蒙特卡洛公差分析
$$AZ)#t[ besc7!S 系统说明
n'rq <n_?$ TJ
U=v>gNba 模拟和设计结果
lU 9o"2 "t2T*'j{
8;M,l2pmR{ 场(强度)分布 优化后
数值探测器结果
B"v*[p? #jbC@A9Pe
/{R
^J#
e{6wFN D(z#)oDr 总结
:7@[=n WjBml'^RY 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
erI&XI 1.模拟
y^r'4zN' 使用光线追迹验证反射光束整形装置。
j'*.=cwsp 2.评估
Tp ;W 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。
~U+<JC Z 3.优化
Rd(8j+Q?ps 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。
7Kym|Zg 4.分析
R14&V1 tZ 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。
j1Ys8k%$l 3 EAr=E] 对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。
)t~ad]oM +@$VJM%^7b 详述案例
7]@M 3SM'vV0[ 系统参数
%n]jsdE^| ]:ca=&> 案例的内容和目标
9f['TG," t:dvgRJt* 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。
?23J(;)s yS)k"XNb
g=KK
PSK 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。
6rS
? FG= 之后,研究并优化整形光束的质量。
VI3fvGHat{ 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。
j gV^{8qG E.yFCaL 模拟任务:反射光束整形设置
%B&O+~ 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。
-/3h&g nUY)LnI
H94_a e <S_0=U
Q3r]T.].h 4Zjd g` 规格:像散激光光束
"-fyX! [p\xk{7Y 由激光二极管发出的强像散高斯光束
Jv(E'"H 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动
[:,|g;=Y} K[SzE{5=P
/3+E-|4s [L7S`Z
//G&=i$ Yy!G?>hC 规格:柱形抛物面反射镜
7ey|~u2 "%
i1zQo& 有抛物面曲率的圆柱镜
qoan<z7 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面
h1)+QLI 曲率半径等于
焦距的两倍
<-d-.
8 zv1,DnkqF +=`w 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型)
823y; }zo-%# 对称抛物面镜区域用于光束的准直
Jx3a7CpX 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型)
yl<=_Q 离轴角决定了截切区域
'o_ RC{k2" ),<h6$ 规格:参数概述(12° x 46°光束)
Q1h v2*/U HDo=W qG
F&/}x15 {YzpYc1
光束整形装置的光路图
}k1[Fc| 7|m{hSc
EY1L5Ba. 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。
<^Q`
y 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。
.<P@6Jq rI:]''PR 反射光束整形系统的3D视图
' ]Km%uwL yC}x6xG
=F*{O= 7")&njQ/x
光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。
i;)r|L`V? 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)。
Qe<c@i" oRn 5blj 详述案例
5OFb9YX Z${@;lgP 模拟和结果
6Hpj&Qm w68VOymD/ 结果:3D系统光线扫描分析
@0:mP 首先,应用光线追迹研究光通过
光学系统。
<>1*1%m 使用光线追迹系统分析仪进行分析。
*
8D(Lp1 P[cGCmM file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
T /7[hj [h
:FJ 使用参数耦合来设置系统
6dCqS %8L5uMx 自由参数:
LZ9IE>sj 反射镜1后y方向的光束半径
cW $~86u"C 反射镜2后的光束半径
PI")^` 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量)
wa9{Q}wSa 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。
#`Et{6WS 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。
|z%*}DPrpa X/wqfP
w*N9p8hb] u`X}AKC
M8lR#2n| yIThzyS 自由参数:
`!T6#6h 反射镜1后y方向的光束半径
+hvVoBCM* 反射镜2后的光束半径
}%-`CJ, 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量)
d3C*]|gQ 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。
[+y/qx79 u"n~9!G 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。
3?(||h{ >G+?X+9 hMs}r,* 结果:使用GFT+进行光束整形
M*c`@\ :@X@8j":
<<![3&p# )6mv7M{ 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
58My6(5y =M9Od7\J 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。
:U;ZBs3 .~
W^P>t 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。
HPj7i;?O V#6`PD6 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差:
=l3*{ ?G W,>;`>
4d3PF`,H` |5,q54d(K file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
s.I=H^T #6JCm!s 结果:评估光束参数
akQtre`5sd 7<?v!vQ}- 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。
IV:Knh+
? 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。
-OuMC&
2S8/
lsB
)P.|Xk:r 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。
z|yC [Ota M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的)
B)"WG7W E |^@TA=_ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
VG\ER}s&P G\IH
b
| 光束质量优化
fr\UX}o !/$BXUrd 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。
^fb4g+Au 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)。
4S.%y7d\ 4//Ww6W: 结果:光束质量优化
0:nQGX!N v1zJr6ra9 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。
]0dp^% }EOn=*
4Kt?; y
; bd<zn*HZ* 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。)
-]PW\}w1 _&JlE$ua7
)mZ`j. file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
^ yu^Du 7IZ(3B<87t 反射镜方向的蒙特卡洛公差
d|6*1hby /)y~%0 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。
+2W#=G F1|4([-<] 这意味着参数变化是的正态
JUU0Tx:`9) -D.6@@%Kc}
z/rN+ , m.EWYO0XQ 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。
XUUS N 这意味着,波前对对齐误差很敏感。
Q.6pmaXrb f+$/gz
R_4600 Mk[_yqoCO file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
.6OE8w
1 O*yc8fUI 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)
WFN5&7$ W n2Ycq&O
XX}RbE#4 -F|(Y1OE 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。
6z=:x+m I%*o7" 总结
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