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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) 2q*aq% 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 odC}RdN \t@4)+s/) oY0`igH 简述案例 `d.4L.], k;?E,!{ 系统详情 xl;0&/7e 光源 keL!;q|r-) - 强象散VIS激光二极管 ]~-vU{ 元件 6pY<,7t0 - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) YR}By;Bq - 具有高斯振幅调制的光阑 .>{I S4 探测器
e&J_uG - 光线可视化(3D显示) Ba /^CS - 波前差探测 4m3pF0k - 场分布和相位计算 52d8EGC - 光束参数(M2值,发散角) RTRi{p 模拟/设计 \]+57^8r - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 ~6-6aYhe - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): _4#&!b6 分析和优化整形光束质量 2rJeON 元件方向的蒙特卡洛公差分析 >*cg
K}!@ 26<Wg7/, 系统说明 <tp#KZE Wx-vWWx*Q
S2*ER 模拟和设计结果 KK4"H]!. 7JHS8C<]
FkJX) 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 K7N.gT*4 V_-{TGKX
cPm-)/E)i
njN]0l{p zm('\KvT 总结 *.ZU" 5e <UMT:`h1MZ 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 v5N2$Sqp* 1.模拟 s55t>t,g6 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 '{(/C?T 2.评估 {IpIQ-@l 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 Ee?+IZ H7| 3.优化 dn)pVti_ 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。
?Ok@1 4.分析 =ap6IVR 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 --9Z wu2C!gyBo 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。 r9d dVD @ dF]X 详述案例 qTl/bFD $ZOKB9QccC 系统参数 x6 c#[:R& Udh!%QP%[w 案例的内容和目标 Y?>us OK^0,0kS3 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 2og8VI bG6<=^
IAJYD/Y&? 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 "=BO,see9 之后,研究并优化整形光束的质量。 4:
<=%d 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 X&qa3C}) BLvI[b|3gn 模拟任务:反射光束整形设置 t9Nu4yl 引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。
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#1C~i}J1 !tNJLOYf 规格:像散激光光束 [8K+zT5 <XHS@| 由激光二极管发出的强像散高斯光束 6^DsI 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 (cj3[qq aumXidbS
9A4h?/ O(( kv|X4
%ycCNS weOzs]uc 规格:柱形抛物面反射镜 z]YP %YaUc{.% 有抛物面曲率的圆柱镜 @MV%&y*z. 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 7(<49bb.V 曲率半径等于焦距的两倍 ]/+qM)F G D$jP? <}E^r_NvD 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) p]zYj >e A!kNqJ2 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Iy}r'#N 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) 3PonF4 离轴角决定了截切区域 ')9%eBaeK IKK<D'6 规格:参数概述(12° x 46°光束) aqb;H 'F t|X |67W
Te8BFcJG :8_`T$8i4 光束整形装置的光路图 sQA{[l!aj k:4?3zJI
i;0`d0^ 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 hG,gY;&[6 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。 8i;N|:WdH ?;,Al`/^ 反射光束整形系统的3D视图 16\U'< 6bg+U`&g
wYf=(w\c >5Zpx8W 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 OvPy+I 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 9xg_M=72 lO9{S=N 详述案例 ~zz |U!TG tji,by#E/% 模拟和结果 @"s\eL,r ;f-|rC_" 结果:3D系统光线扫描分析 JXeqVKF 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 D^PsV 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 JLAg-j2 R7KQ-+Zb file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd | 4I x2GD Snt=Hil` 使用参数耦合来设置系统 JMOP/]%D
F!>K8 q 自由参数: nRQIrUNq 反射镜1后y方向的光束半径 %:o@IRTRU 反射镜2后的光束半径 T , =ga 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) >B~jPU 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 >V(2Ke Y 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 MatC2-aV1 Y%:p(f<
(r[<g*+3 pOI+
^qbX9.\ 1MJ]Gh]5 自由参数: UKK}$B 反射镜1后y方向的光束半径 QBsDO].J< 反射镜2后的光束半径 Xy*X4JJh^ 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) >2syF{`j 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 Rg1UKY
k7{fkl9|# 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 >q &ouVE )+t5G>yKK H[N&Wiq/| 结果:使用GFT+进行光束整形 )Qxv9:X n'*L jp
$fKwJFr \S7OC 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 _z4rx uWnS<O 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 G0s:Dum /#G"'U/ 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。
P)ZSxU >qF KXzI 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: g[M@ @B9|{[P
4\ OELU 3X!~*_iC file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd F[=m|MZb H+5]3>O-$ 结果:评估光束参数 h5F'eur UdI>x 4bI 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。 sId5pY! 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 ,;d9uG2
Na~_=3+a &HXSO,@ 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。 fd,~Yj$R? M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的) Wq9s[)F"Z >Ed^dsb& file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 0KQ8;&a| Awh"SUOh0 光束质量优化 `X^e}EGWu GO)rpk9 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 W"-nzdAJ5 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。 F>b6fUtR -KNJCcBJ 结果:光束质量优化 'j3'n0o R$@.{d&:w 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。 |TUpv*pq {PVu3W
wwAT@=X*} O^x t 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。) aXJe"IT.u 7}x-({bqy
V]O
:;(W_ file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd h@DJ/&;u@ xqtjtH9X 反射镜方向的蒙特卡洛公差 .)3 2WD% |K_B{v. 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 /r%+hS p_AV3 这意味着参数变化是的正态 +-nQ,
fOV >eTlew<5
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"MZ/M #CS>A#Lk 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。 xK r,XZu 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 g7P1]CZ} IID(mmy6
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L&N"&\K2U b
tu:@s8ci file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run biG9? u
.2sB6} 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) =e;wEf%` 'JMa2/7CG
%yMzgk[u 1 ~7_! 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。 tAA7 f$>orVm%. 总结 /(V=Um^0 ifs*-f 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ]p!J]YV ]0 1.模拟 ! -c*lb 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Y2X1!Em>B 2.研究 {Pb^Lf > 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 K|G$s 3.优化 C'._}\nX 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。 i-?zwVmn 4.分析 [tzSr=,Cg 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 !T*B{+| 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。 #FB>}:L{h* W\,lII0 参考文献 BB.TrQM.# [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). .NT&>X~.V %d0S-. 进一步阅读 w4'K2 7 'D&G~$ 进一步阅读 h,>L(=c$O 获得入门视频 (@E#O$' - 介绍光路图 :6?&FzD` - 介绍参数运行 u mlZ(??. 关于案例的文档 9@Sb! 9h - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ? sW`**j - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens V@:=}*E - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing XQOprIJ
U - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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