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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) Q8$}@iA[ 二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 m=1N>cq
' ,Y@Gyx!4 L@rcK!s,lD 简述案例 av(6wht8 HRpte=`q 系统详情 xW+6qtG` 光源 ImA @}: - 强象散VIS激光二极管 `](e:be} 元件 m%0p\Y-/ - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) ~kV/!= - 具有高斯振幅调制的光阑 ~EW(Gs!=C 探测器 5G}?fSQ> - 光线可视化(3D显示) 0RzEY!9g+ - 波前差探测 l&[O - 场分布和相位计算 HGl|-nW> - 光束参数(M2值,发散角) {% 6}' 模拟/设计 2V]UJ< - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 xKbXt;l2 - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): EX*HiZU> 分析和优化整形光束质量 %q"%AauJR 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ?C]vS_jAh ;2G*wR 系统说明 z xEL+ P pt?bWyKG
3s*mbk[J 模拟和设计结果 UB@Rs|) YH$-g
[\]50=& 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 K&u_R
C-xr"]#]
c&6I[R
O}gV`q; &{5,:%PXw 总结 5#6|j?_a t6rRU~;} 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Fk7?xc 1.模拟 39c2pV[ 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 H;mSkRD3N 2.评估 Y+pHd\$-4 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 I]|Pq 3.优化 /*~EO{o 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。 Brw@g8w-X 4.分析 AhN4mc@ 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ME$[=?7XX
IuDS*/Sx 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。 NCXRevE wKh4|Ka 详述案例 E#RDqL*J LG0;#3YwH 系统参数 %jJG>T Xxj-
6i 案例的内容和目标 /A\8 mL8 Ha#=(9. 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 =}^9 wP .N;=\C*
@)F )S7 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 299H$$WS,Z 之后,研究并优化整形光束的质量。 XTs8s12 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 bG"~"ipn% >IafUy 模拟任务:反射光束整形设置 j a[Et/r 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。 E)&I@m AOZP*\k
PN%zIkbo OG~gFZr)6
NSMyliM1Y YRk(u7:0 规格:像散激光光束 gk4;>} Jumgb 由激光二极管发出的强像散高斯光束 >~rTqtKd 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ,oe < 2ACCh4(/P
eu|YCYj)g 8$cLG*=h4
m,28u3@r 1#g2A0U, 规格:柱形抛物面反射镜 L<S9 \&:nFb%= 有抛物面曲率的圆柱镜 g9pZ\$J& 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 .<?GS{6
N 曲率半径等于焦距的两倍 e4$H&'b| sjTZF- e
,'_xV 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) 234p9A@ tIi&;tw] 对称抛物面镜区域用于光束的准直 eeg)N1\ 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) R- wp9 ^ 离轴角决定了截切区域 iU918!!N ]EbM9Fo-U 规格:参数概述(12° x 46°光束) Mt|zyXyzX "!P3R1;%
FkDmP`Od BZ#(
光束整形装置的光路图 + 480 l} @IKYh{j4
P8
c`fbkX2 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 #Pau\|e_ 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。 atH*5X6d Q} JOU 反射光束整形系统的3D视图 Kn{4;Xk\ 2"Q|+-Io
h&iC;yj= Ny7 S 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 "{+QW 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)。 c):/!Q 0o4XUW 详述案例 Paq4 ~Cttzn]pR 模拟和结果 qo~O|~ +E+p"7 结果:3D系统光线扫描分析 2s8a
$3 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 h4}84}5d 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ]cvwIc"> ]q[D>6_ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd aK~8B_5k8 ]A`n(
"% 使用参数耦合来设置系统 @bLy,Xr& }#+^{P3 ; 自由参数: e"cXun4nS= 反射镜1后y方向的光束半径 ^CH=O|8j 反射镜2后的光束半径 c#]4awHU 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) lFj]4 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 }6~hEc*/" 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 Q\vpqE!9 B mb0cFQ
est9M*Fn (L:>\m&NO
W
i.&e Lb-OsKU 自由参数: #%2rP'He 反射镜1后y方向的光束半径 Uc>lGo1j 反射镜2后的光束半径 *>}@7}f 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) h"W,WxL8 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 _61gF[r4!Y G.B2(' 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 Rv>-4@fMJ =XQ%t
@z0 Rp7mh]kZ 结果:使用GFT+进行光束整形 C): 1?@ ]/6z;
~3U
j;r-NCBnz >R_&Ouh: 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ^7*11%Q Y@iS_lR 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 (WJRi:NP? 'Is kWgc 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 pki%vRY S hWJ72c 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: 9*wK@yEl \@zHON(
cjY-y-vO Izc\V9+ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd .P]+? %& C )
s5D 结果:评估光束参数 n@i HFBb uW{l(}0N 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 B$K=\6o 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 Or+U@vAnk
00y!K
m_D ,0 sm 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。 5qm`J,~k 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) ^
@5QP$. _VN?#J)o file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd TdMruSY `h\j99 光束质量优化 !.gIHY aXYY:; 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 G` A4|+W" 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。 ?l )[7LR4 0OE:[pR 结果:光束质量优化 _{KG
4+5\X )akoa,#%6c 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 bE. .P&" Kc-W&?~y#1
t*u:hex q9_OGd|P 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) \2$|Ei7 Q%G8U#Tm
2ilQXy file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd tWRC$ q} >%8;nm 反射镜方向的蒙特卡洛公差 h]gp ^?= >bW#Zs,6 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 oPM96
( PZ9I`P!C 这意味着参数变化是的正态 KRzAy)8 i.m^/0!
L4HI0Mx wHy!CP% 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。 m_]Y{3C
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 5]0<9a C'x&Py/#
ga +dt VPo".BvG6 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run S1_RjMbYM N6:`/f+A>T 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) (<9u-HF# ms]sD3z/W+
]a`$LW} 4pvMd 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。 %ET+iIhK 4WB0Pt{ 总结 zDG b7S{ (LCfUI6; 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 $UwCMPs X 1.模拟 |6-nbj 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 5H^(2w 2.研究 QXK{bxwC 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 GbI/4<)l} 3.优化 N!}f}oF 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 I?CZQ+}Hq 4.分析 `a/`,N 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 z$sT !QL~ 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。 \FaP|28h ih3n<gXF 参考文献 e0 ecD3 [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). >t+P(*u At;LO9T3z 进一步阅读 ;uGv:$([g
YmG("z 进一步阅读 "AqB$^S9t 获得入门视频 ~xTt204S - 介绍光路图 Ewz!O` - 介绍参数运行 n$R)>nY 关于案例的文档 A#,ZUOPGH - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens c+ie8Q! - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens .xkM.g4{~ - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing gX@aG9 - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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