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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) *fDhNmQ ` 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 :EC[YAK+D JOq&(AZe 9H%L;C5< 简述案例 J16(d+ L6pw'1' 系统详情 z!9w Lo^r 光源 !_1RQ5]^ - 强象散VIS激光二极管 /9u12R*< 元件 fH
5/ - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) _AVP1 - 具有高斯振幅调制的光阑 P_c9v/ 探测器 <yEd'Z - 光线可视化(3D显示) lGN{1djT - 波前差探测 `oH6'+fT`; - 场分布和相位计算 G
Y ]bw - 光束参数(M2值,发散角) .GDNd6[K7 模拟/设计 bu r0?q - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 Z:%~Al: - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): +,ZQ(
ZW 分析和优化整形光束质量 sZPA(N? 元件方向的蒙特卡洛公差分析 7%^/Jm d#3E'8 系统说明 f>_' ]eM% 5@@ilvwzz
\ssqIRk 模拟和设计结果 0W>,RR) `GT{=XJfY
+(|
,Ke 场(强度)分布 优化后 数值探测器结果 f+W %X Sy`7 })[
jG&gd<^
b$1W> LYyOcb[x 总结 aRF}FE,u P>i[X0UnL 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 q'[q] 1.模拟 3]g|Cwu 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 }0~4Z)?e3 2.评估 leJ\ 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 W~FM^xR?p 3.优化 mXXU{IwUe 利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 -}9a% 4.分析 V0!$k.Wk 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 jUCrj' 1US4:6xX_ 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。 e2l!L*[g W #kOcw 详述案例 "xKykSk z8\z`#g! 系统参数 jou741 v46 5Z 案例的内容和目标 HTU?hbG( 7[?{wbq 在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 wz=c#}0dB WvJidz?5
ii:E>O(0B 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 -kz9KGkPb+ 之后,研究并优化整形光束的质量。 [=q&5'FY0 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 CDU$Gi vhOX1' 模拟任务:反射光束整形设置 _)?59 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。 Xe7/ >Kjl>bq
HSsG0&'-Y QlCs,bT
"MNI_C#{ (B:+md\Q 规格:像散激光光束 yO`HL'SMo (6#,
$Ze 由激光二极管发出的强像散高斯光束 \=NS@_t, 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 5b5Hc Inu 4V9S~^v|
\&Zp/;n TtKV5
ydm2'aV `8sC>)lrwu 规格:柱形抛物面反射镜 2j
<Y>Y /l&$B 有抛物面曲率的圆柱镜 sOUQd-!" 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 VW/ICX~"d 曲率半径等于焦距的两倍 @nOj6b Ufr,6IX ?6T\uzL +% 规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) /_l$h_{DH 'V#$PZx 对称抛物面镜区域用于光束的准直 F2:nL`]b[ 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) 'NYW`, 离轴角决定了截切区域 $4ZjN N@ *H({q`j33k 规格:参数概述(12° x 46°光束) R Q2DTQ-$ ]oIP;J:&
{|D7H=f I->BDNk 光束整形装置的光路图 QDdH5EfY x>TIQU=\
:qe.*\
c 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 3F ]30 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。 Yw_^]:~ EwX:^1f 反射光束整形系统的3D视图 |Jpi|'
aF]cEe
&6q67 Lsb` ,: 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 P4{!/&/ 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)。 F+Q(^Nk vg;9"A!( 详述案例 (R|Ftjs . * ,#SwZ 模拟和结果 % db 15\k/[3
# 结果:3D系统光线扫描分析 :-)H
ty zf 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 /JbO $A 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 /|#" ;QsPN '"M9`@Y3^ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd KzWqHq C=,O'U(ep 使用参数耦合来设置系统 'D &[Y)f^ i!u:]14> 自由参数: ,LftQ1*; 反射镜1后y方向的光束半径 E@[ZwTnJ 反射镜2后的光束半径 ZBsV 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) L|]!ULi$d 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。 h}&1
7M 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 9AP." RV U#>K(
!>,XK!) ,%<ICusZ
D7|qFx;]g \9N
)71n( 自由参数: m4x8W2q 反射镜1后y方向的光束半径 `PS^o# 反射镜2后的光束半径 Hkzx(yTi 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) >eM>Y@8= 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。 4#Cm5xAt6 Cc&SHG*R 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 ,,+iPGa< *iiyU}x K.r
"KxCm| 结果:使用GFT+进行光束整形 s~>0<3{5 :F`"CR^,
T0v{qQ \$W\[s4I 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 lOEB ,/P
GD@|XwK){ 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 ~ya@ YP]'; ')zf8>, 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 bvF-F$n%F sg%Ptp 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: ^E]y >Y yt[*4gF4
cH6<'W{* 8fWk C<f} file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 0x,NMS iCIU'yI 结果:评估光束参数 *IQQsfL) LOi/+;> 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。 \'.|7{Xu 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 }s@vN8C
QE4TvnhK P-?R\(QYtR 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。 <~}NxY\5 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) (-%1z_@Y Dks"(0g file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd }e]tn) t{Wu5<F: 光束质量优化
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:CGh$d] + 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 6<Txkk 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。 9a$ 7$4m Wa<SYJ 结果:光束质量优化 @M!nAQ8hY w,1&s};g\ 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 bY}:!aR<mK ~nRbb;M
S<81r2LT Aa}Nr5{O| 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) :0'vz M G'{*guYU
7bY N file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd {y`n_ vVf%wei^# 反射镜方向的蒙特卡洛公差
;(
[^+_/ cCv@fks 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 e/R$Sfj] /3j3'~0 这意味着参数变化是的正态 )-^[;:B\k" z8<"
\pVNJy$`< 5%]O'h 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 En{<
OMg 这意味着,波前对对齐误差很敏感。 go?}M]c%7 }ws(:I^
hxkwT #L+ZHs~ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run K$c?:?wmo ?X@uR5?{ 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) mbXW$E-&R2 '}9 %12\^h
`{H!V~42 nG~^-c+ 由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 e4<St`K d@ef+- 总结 K>_~|ZN1C8 Le2rc*T 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 FJ2~SKWT 1.模拟 Zp+orc7 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ZVDi;
2.研究 Ww
=ksggpB 为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 VJS1{n=;k 3.优化 wRu\9H} 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 'o|=_0-7W 4.分析 i QvqifDmh 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 E=]$nE]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。 C ett*jm_ #Yx
/ubg6 参考文献 nU/x,W[} [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). $|VD+[jSV uQ3W = 进一步阅读 }*c[}VLN ;aDYw [ 进一步阅读 KouIzWf. 获得入门视频 zKFiCP
K - 介绍光路图 &W%fsy< - 介绍参数运行 !RwMUnp 关于案例的文档 #YK=e&da - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens G$t:#2 - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens }b+$S'`Bv - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing D<lV WP - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
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