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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) B&0^3iKFi 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 KQ3]'2q &0Zn21q ]GYO`, 简述案例 &I.UEF2, -6MgC9] 系统详情 : j&M&+ 光源 t=iSMe - 强象散VIS激光二极管 )t{oyBT 元件 "G P!]3t - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) krZ J"` - 具有高斯振幅调制的光阑 58*s\*V`\ 探测器 lhTjG,U= - 光线可视化(3D显示) CzxU
@ - 波前差探测 St&xe_:^< - 场分布和相位计算 hGcq>Cvf - 光束参数(M2值,发散角) )((Jnm D 模拟/设计 nMD^x - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 3ik - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): ;]?1i4p) 分析和优化整形光束质量 v$"#9oh 元件方向的蒙特卡洛公差分析 IC+Z C w!)B\l^+c 系统说明 9i WDEk Zo`'xg
/Dj6Bj
} 模拟和设计结果 gF1qZ=< &|u
r00waw>C\ 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 3 q o:_}=1nh
z
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pt;E~_ sM({u/ 总结 =,KRZqz |c,":R 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ivC1=+ 1.模拟 J&S$F:HM 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 zcD&xoL\H 2.评估 +vaz gO<u 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 $ x
6Rmd{ 3.优化 K+ xiov-r? 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。 Wm4@+} 4.分析 Dna0M0 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。
7
2ux3D "JAYTatO7H 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?JZ23>bbw @jO3+ 详述案例 !7@IWz(," [wP;g'F 系统参数 %TxFdF{A =v=a:e 案例的内容和目标 mJR vC% xn1 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 rOw""mE 8I$B^,N
B:)9hF?o@ 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 6#fl1GdH- 之后,研究并优化整形光束的质量。 n;Tpf<*U 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ^kxkP}[Z. r]Bwp i% 模拟任务:反射光束整形设置 x;S v& 引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 !p4w
8 \v{tK;
'YQ"Lf ,i#]&f`c;5
f:\jPkf' -}1S6dzr 规格:像散激光光束 -fuSCj ~T>_}Q[M2p 由激光二极管发出的强像散高斯光束 CFAz/x@% 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 6UR.,*f= 1w'iD
X
12DMb9_rp T{d7,.:
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} BbUZ,X*Y 规格:柱形抛物面反射镜 `%p}.X gBUtv|(@>[ 有抛物面曲率的圆柱镜 bEP-I5j1t 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 c 6@!?8J 曲率半径等于焦距的两倍 ]R\k@a|G |[(4h PmyS6a@ 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) ~ z* N_Cu%HP 对称抛物面镜区域用于光束的准直 x0@J~
_0 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) x:b0G 离轴角决定了截切区域 -MOPm]iA H>_ FCV8 规格:参数概述(12° x 46°光束) #qT 97NQ 'W usEME
YFOSv]w +b1(sk=4z 光束整形装置的光路图 % ribxgmd hL~@Ah5&t
Y>geP+ - 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 )(TaVHJR 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。 =_I2ek wQWokpP;T7 反射光束整形系统的3D视图 y _M<\b 01}az~&;35
-q|K\>tgU +'Pl?QyH 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 1VL!0H 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 gN$.2+: [?iA`#^d 详述案例 &0SX*KyI z8{ kwz 模拟和结果 "8%B
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5A &!]$# 结果:3D系统光线扫描分析 xCFk1%qf 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 7)!(0.& 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 y[Zl ,v7 9KRHo%m file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd vg"y$% 7tMV*{+Z 使用参数耦合来设置系统 ``j..v, 8PB(<|}u 自由参数: ]#P9.c_} 反射镜1后y方向的光束半径 &$t BD@7 反射镜2后的光束半径 rlk0t159 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) ZQ9!k*
^ 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 2s>dlz 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 *,5V;7OR }GJIM|7^
U*`7 Q(
.d!CQ>
.^j#gE&B *gfx'$ 自由参数: j9n3 反射镜1后y方向的光束半径 kmPK |R 反射镜2后的光束半径 >B/ jTn5= 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) X>:@`}bq 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。 /uS(Z-@ -FV$Sne 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 T#xCu|5 U1bhd}MoR azR<Y_tw 结果:使用GFT+进行光束整形 uN20sD} l_Gv dD
< gB>j\: 2.CjjI 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 S453oG" SO%x=W 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 90L,. QEK,mc3 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 n.jF: A]"$O&l 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: rTYDa3 r2H \B,_
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CcUmx |&B.YLx file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd L&M6s
f$N ;> **+ezF 结果:评估光束参数 Ab`mID: bg;NBoZd 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 'b#RfF,7H} 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 s''?:
+
(e sTb, ^_ <jg0V 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 .WM 0x{t/ M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的) z1[2.&9D- ',j'Hf file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd f>\OT
Dz/I"bZLC 光束质量优化 Sp$~)f' Z*S
9pkWcF 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。 `l,=iy$ 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)。 XzI c<81Z H|_^T.n?E 结果:光束质量优化 b:3n)-V{ u hgMh]4wN* 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。 _h>S7-X hFl$u8KV
tn\Y: S6-)N(3| 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) vRa|lGeW ` W$
aiVd^( file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 7NC"}JB& }@MOkj 反射镜方向的蒙特卡洛公差 U ^1Xc#Ff amq]&.M 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 !Cxo4Twg hZ2!UW4' 这意味着参数变化是的正态 "&?F6Pi l'=H,8LfA
7[5g_D t ?:l3O_U5 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。 pOP`n3m0 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 Q4e*Z9YJ UwOZBF<
!xmvCH=2 ,JIjAm*2 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 58\rl G Pk/{~!+
$ 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) H~%HTl 9EzXf+f
IJHNb_Cku )W9W8>Cc5_ 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。 v}p'vh^8B z{:T~s 总结 %UZ_wsY\ ']1\nJP[=X 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 -q1vB8gjj 1.模拟 1gk{|keh 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 {<0=y#@u 2.研究 &!>
)EHGV 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 1}+lL)-! 3.优化 19-|.9m( 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。 g a|RW0 4.分析 \jL n5$OW 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 ol]"r5#Q_H 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。 's]I:06A A41*4!L= 参考文献 OZ 4uk.) [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). SKf9
yS# SrGX4 进一步阅读 @+II@[_lT fwaq 进一步阅读 LWgYGXWT" 获得入门视频 =d>^q7s - 介绍光路图 *Pj[r - 介绍参数运行 dw{L,u`68 关于案例的文档 vi?{H*H4c - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ! bbVa/ - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens o,l 3j|1 - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing u,AZMjlF - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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