| xunjigd |
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) (0qdU; 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 I@ch 5vl4 '7W?VipU 48n>[
FMSR 简述案例 EYUr.#: F,e_ ` 系统详情 P$@5&/] 光源 0X)'8N - 强象散VIS激光二极管 2D
MH@U2 元件 Lvc*L6 - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) 1C=}4^Pu - 具有高斯振幅调制的光阑 Z\{WBUR;4t 探测器 odquAqn - 光线可视化(3D显示) =? x A*_^ - 波前差探测 7fl'nCo\" - 场分布和相位计算 &K`[SX= - 光束参数(M2值,发散角) -)?~5Z 模拟/设计 5RTAM - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 a'Qy]P}'Ug - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): ?S0VtHQ 分析和优化整形光束质量 a7q-*%+d5 元件方向的蒙特卡洛公差分析 Xig+[2zS tGD$cBE 系统说明 Xt8;Pl FQ?H%UcW
|n=kYs 模拟和设计结果 q!<`ci,uS (>>pla^
/Yx 1S'5 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 "F|OJ@M m5zP|s1`['
mb?DnP,z
'8k\a{t_z tB[(o%k 总结 bK("8T\? ` /]8C&u 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ,US~p_M! 1.模拟 !hFb< 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 S,3e|-&$ 2.评估 h.4;-& 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ^=D77 jS 3.优化 eJ%~6c`@! 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。 %o#D" 4.分析 rQ*'2Zf'< 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 B{/Pv0y 0wZLkU_( 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!eh1*b cPI #XPM= 详述案例 @OFl^U0/
M5exo
系统参数 YIfPE{, @w6^*Z_hQ 案例的内容和目标 Ps<)?q6( Y: KB"H 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 .(CzsupY_q ILF"m;
C+r--"Z 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 x;Dr40wD@y 之后,研究并优化整形光束的质量。 '_r|L1 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 U`:#+8h-} dm.?-u;C 模拟任务:反射光束整形设置 *-_` xe 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。 V)Z*X88:Tv (rZq0*
?*,N
?s(U +Z$X5Th
9eGM6qW\_ w:'$Uf8] 规格:像散激光光束 x gaN0! N##3k-0Ao 由激光二极管发出的强像散高斯光束 |KU>+4=
@ 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 *M+:GH/5 9S&6u1
>0@X^o )V)4N[?GC
&E {/s z~o%U&DO} 规格:柱形抛物面反射镜 A>7'W\R g6QkF41nG 有抛物面曲率的圆柱镜 RS<c&{? 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 xE;fM\7pu 曲率半径等于焦距的两倍 79:x>i= :7:Nx`D8 8-juzL} 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) tPC8/ntP8 jW2z3.w 对称抛物面镜区域用于光束的准直 b0LQ$XM>8 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) ;?z b ( 2 离轴角决定了截切区域 nm %ka4 kX[I|Z= 规格:参数概述(12° x 46°光束) _jU6[y|XLh te" 8ZmJ
G:u[Lk#6K HewVwD<C 光束整形装置的光路图 C&<f YCwG z56W5g2
8C4Tyms 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 ZwO&G\A^ 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。 Om>6<3n rCYNdfdpp 反射光束整形系统的3D视图 `9S<E .t"s>jq 1
us`hR!_ v{?9PRf\s 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 _i}6zxqw 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 "vU:qwm Qkr'C
n 详述案例 QhpE 2ICU v`y{l>r, 模拟和结果 1__p1 jn)~@~c 结果:3D系统光线扫描分析 eSa ]6 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 g[H7. 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 Fo?2nQ< x0Tb7y`
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd /Pg66H#RUf KkAk(9Q/3 使用参数耦合来设置系统 ]0m4esK` p+9vSM # 自由参数: &~$^a1D6 反射镜1后y方向的光束半径 apGf@b 反射镜2后的光束半径 a&XURyp 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) fKrOz!b 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。 ##k=='dR 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 !^l<jrM iCl,7$[*
;zSh9H !8l4Hc8
;"joebZ/ U]e;=T:3 自由参数: dxMz! 反射镜1后y方向的光束半径
x,>@IEN7 反射镜2后的光束半径 LAMTf"a 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) /JR*X!&" 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 _5.7HEw>/ oWx!
'K6]V 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 @xO<~ 5<ery~q :j?Lil%R 结果:使用GFT+进行光束整形 G'{4ec0<{ B[cZEFo\
9O@eJ$ 6PvV X*5T 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 $+7MY-9T K-p1v!IC 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 Sfh \4h$H BS+N 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 Du[$6 \'E%ue_<9 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: ZHw)N&Qn Qy@chN{eP
%Vive2j C ">CjnF2>R file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd nuKjp Ap! w(.k6:e 结果:评估光束参数 Q> @0'y=s /Pi{Mv eZM 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 bnUd !/; 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 (y#8z6\dx
}1d
6d3b _~5{l_v|I 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 A9$q;8= < 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) #Du1(R ,}`II|.oB file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 2hmV1gj 9:YiLoz? 光束质量优化 Ay2Vz>{ V\)@Yk2 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。 !cp
,OrO\ 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)。 a.wRJ [y=k}W}z 结果:光束质量优化 k gWF@"_ Ou8@7S 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。 3xV +a"Asvw2
",`fGu ) -4;{QB? 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。) {gK
i15t 7P=1+2V
J<u,Y= -~ file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd tY%c-m V0ulIKck 反射镜方向的蒙特卡洛公差 xJN
JvA }_gCWz-5? 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 QfT&y & T4o}5sq}S 这意味着参数变化是的正态 I)Lg=n$ 9(ANhG
q;t
T*B W f>-OwL($P 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 ryN/sjQC 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 Bb8lklQ &{/ `Q,
Yz\z
Qj cz&Qoyh{; file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run r?[PIf vr=iG
xD 第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) w*$nG$ ~U ?cL-`n
EJb"/oLla sAC1Pda 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。 GT<Y]Dk qmtVk 总结 y%`^*E& @M:j~ 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 h* h+VM 1.模拟 jO<K0cc 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 +%$!sp? 2.研究 Qh%7RGh_ 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 a}0\kDe 3.优化 .nKyB'uV 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 =ni&*& 4.分析 Y'%sA~g 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 X.%Xi'H 可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 t 0nGZ%` vC&y:XMt,` 参考文献 -O^ b [1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). r >u0Y 6wIv7@Y 进一步阅读 P[%
W[E< .e"De-u 进一步阅读 W>bhSKV% 获得入门视频 9k& lq$ - 介绍光路图 Xr6lYO _R - 介绍参数运行 ^md7ezXL 关于案例的文档 Xe:B* - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens S-Ryt>G - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens Bx j6/a7Xd - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 8!4=j - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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