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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) Ek0zFnb[Gx 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 Zd2B4~V gBF2.{"^ \S]"nHX 简述案例 B@v\tpR .XD.'S 系统详情 HnDz4eD 光源 xY3KKje - 强象散VIS激光二极管 ZGstD2N$ 元件 PS" , - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) ){XaO;k<] - 具有高斯振幅调制的光阑 [M:ag_rm+f 探测器 4G:?U6 - 光线可视化(3D显示) jFa{h! - 波前差探测 !,;>)R - 场分布和相位计算 X(sN+7DOV - 光束参数(M2值,发散角)
4
_*^~w 模拟/设计 'p%\fb6` - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 +[ +4h}? - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): XI4le=^EM 分析和优化整形光束质量 =5a|'O 元件方向的蒙特卡洛公差分析 DEdJH4 3#=%2\ 系统说明 lT`y=qR| 15o<'4|=Lm
1@xmzTC 模拟和设计结果 {8!\aYI tWBfIHiha
,Z2fVz~9 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 t`b!3U>I 5Op|="W.
:\]TAQd-
=jz*|e|V ({"jL*S,q 总结 gpIq4Q< EWI2qaSnO 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 EWcqMD]4u 1.模拟 4,nUCT 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 2Hh5gD|> 2.评估 7GY3_` 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ?+Q?K30: 3.优化 n54}WGo>9 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。 OA_WjTwDs 4.分析 ?h7,q*rxk 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 nfL-E:n= 5<Lal^c D 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。 4[&L<D6h E41ay:duAl 详述案例 (
04clU^F _m;H$N~I# 系统参数 lk<}`#( g G_5uO58 案例的内容和目标 C(4r>TNm ^ UB*Q 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 5a0&LNm ##_`)/t,
<WWn1k_ 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 V2v}F= 之后,研究并优化整形光束的质量。 \dB)G<_ 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 >[$j(k^ {.,-lFb\ 模拟任务:反射光束整形设置 ./Y5Vk#Rp\ 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。 Cyn_UE ['`Vg=O.{
acPX2B[jJ AA&5wDMV>
=!V-V}KK- E1"H(m&6 规格:像散激光光束 t'7A-K=k3 F\)?Ntj)>@ 由激光二极管发出的强像散高斯光束 $G,#nh2 oD 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 nQHQVcDs8 *(w#*,lv
bvR0?xnq 0q !
WxgA{q7: UA%tI2 规格:柱形抛物面反射镜 oMw#ROsvC JX $vz*KF 有抛物面曲率的圆柱镜 20NotCM 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 $K'A_G^ 曲率半径等于焦距的两倍 vz87]InI #_U[T 1OwVb 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) ws_/F gf]k@-) 对称抛物面镜区域用于光束的准直 J+]W*?m 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) $+%eLx* 离轴角决定了截切区域 i*3*)l y +~Lt;xNFk 规格:参数概述(12° x 46°光束) Vs:x3)m5j UpoTXAD}k
"m'roU SI~MTUqt 光束整形装置的光路图 =Felo8+ bS2)L4MQY
$z":E(oy 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 3<:m;F*# 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。 ww^!|VVa {0?]weN* 反射光束整形系统的3D视图 NZaMF. wq6.:8Or-]
%s(Ri6R& {i!@C(M3 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 kbR!iPM-; 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)。 | GqKa VW%eB 详述案例 RY\[[eG V39`J*fI 模拟和结果 6.0/asN} A2xfNY< 结果:3D系统光线扫描分析 4!,`|W1 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 IFd2r;W8 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 .~L^h/)Gjy \5ZDP3I file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd +Vsd%AnN"l &nXa/XIZ_ 使用参数耦合来设置系统 u,f$cR A]WR-0Z7 自由参数: u&7c2|Q 反射镜1后y方向的光束半径 _go1gf7 反射镜2后的光束半径 {Bd 0 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 9[7Gxmf 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。 hOTqbd} 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 {rE]y C^ _=s{,t
&u
fg8"fbG`: g~Hmka_fD1
`&rt>Bk / |mO4+:-~D+ 自由参数: x8v2mnk 反射镜1后y方向的光束半径 qyl9#C(a 反射镜2后的光束半径 9bVPMq7}i 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) v_s( 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。 Hb:@]!r> `dpm{sn 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 "7RnT3 N %K%0o- tc2e)WZP 结果:使用GFT+进行光束整形 dEuts*@Q q/N1q&
)vcyoq hCX_^% 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 A['0~tOP }1)tALA 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 $^XCI%DH ra[*E4P9L* 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 }wkZ\q[ XzH"dDAVE 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: kTQvMa-X9D t R(Nko
u+
?Wm40E v[UrOT: file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 2&+Nr+P $Z2Y% z6y 结果:评估光束参数 S~+er{,ht4 X":T>)J- 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。 q0a8=o"| 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 $QB~ x{v@n
o8A1cb4<T Qv`Lc]' 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 0zCmU)ng M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的) ^zs]cFN#% 6bXP{,}Gp file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd bW e_<'N Q Jnji 光束质量优化 f'>270pH Pgp`g.$< 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。 *sPG,6> 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)。 \W',g[Y: gq +|Hr 结果:光束质量优化 0:SR29(p1 i4XE26B;e 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。 \j$q';9p s?g`ufF.t
VYj*LiR `BA,_N|6 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) Q-qM"8I JO^E x1c
k m(Mv file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd G+$A|'<`z R;{y]1u 反射镜方向的蒙特卡洛公差 IB
sQaxt. e/{1u$ 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 n:#gKR-J ;Ww s;.~ 这意味着参数变化是的正态 E6f{z9y6 WN+D}z]
:4(.S<fH)- Gd]!D~[1 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。 Y9K$6lz 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 Z|h&Zd1z \en}8r9cy
:*`5|'G} M2.Pf s file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run wy1xZQ<5 f'2Ufd|J| 第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) X9YYUnR2 x<S?"
c~0hu*& !}TZmwf' 由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 O'OVj *_aeK~du. 总结 eVVm"96Q.; "/O`#Do/ 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 etPb^$ 1.模拟 '|9fDzW"] 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ,xJ1\_GI` 2.研究 PS13h_j 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 OjUZ-_J 3.优化 u$"dL=s! 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。 has \W\( 4.分析 CXZO 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 5c W2 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。 G/w&yd4 POl[]ni=> 参考文献 QNk\y@yKw [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). 8l, R|$RKP "8'aZ.P 进一步阅读 }qa8o RO]Vn]qb 进一步阅读 2}ttCm 获得入门视频 xw)$).yc - 介绍光路图 5$(qnOi - 介绍参数运行 C_&-2Z 关于案例的文档 >sUavvJ~x - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens #-0}r - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens G<S(P@ss - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing S:*.,zC - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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