光束傳輸系統（BDS.0005 v1.0）

二極管激光光束使用無色散離軸反射裝置進行準直和整形

 

簡述案例

 

系統詳情

?光源

-強象散VIS激光二極管

?元件

-光束準直和整形的反射元件（例如圓柱拋物面鏡）

-具有高斯振幅調制的光闌

?探測器

-光線可視化（3D顯示）

-波前差探測

-場分布和相位計算

-光束參數（M2值，發散角）

?模擬/設計

-光線追跡（Ray Tracing:）：基本系統預覽和波前差計算

-幾何場追跡+和經典場追跡（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）：

?分析和優化整形光束質量

?元件方向的蒙特卡洛公差分析

 

系統說明

 

模擬和設計結果

 

 

場（強度）分布                 優化后

數值探測器結果

 

總結

 

實現和分析高性能離軸和無色散反射光束整形裝置。

1.模擬

使用光線追跡驗證反射光束整形裝置。

2.評估

應用幾何場追跡+(GFT +)引擎來計算場分布和評價光束參數。

3.優化

利用一個具有高斯形狀孔徑函數的光闌和經典場追跡引擎來優化M2參數。

4.分析

通過應用蒙特卡羅公差來分析方向偏差的影響。

 

對于復雜的光束整形裝置，特別是離軸系統，可以使用VirtualLab來進行高效的模擬和分析。模擬過程中，根據情況應用不同的模擬引擎。

 

詳述案例

 

系統參數

 

案例的內容和目標

 

在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束傳輸系統。

 

 

?目標是準直并對稱由激光二極管發射的高斯光束。

?之后，研究并優化整形光束的質量。

?另外，探討了鏡像位置和傾斜偏差的影響。

 

模擬任務：反射光束整形設置

引入的反射光束整形裝置是基于一個反射鏡系統，此系統由兩個拋物面圓柱反射鏡鏡與拋物面截面反射鏡組成。焦點距離和鏡子的位置取決于輸入光束的發散角。

 

 

 

規格：像散激光光束

 

?由激光二極管發出的強像散高斯光束

?忽略發射區域在x和y方向可能發生的移動

 

規格：柱形拋物面反射鏡

             

?有拋物面曲率的圓柱鏡

?應用用錐形常數.-1來實現錐形界面

?曲率半徑等于焦距的兩倍

 

 

規格：離軸拋物面圓柱鏡（楔型）

 

?對稱拋物面鏡區域用于光束的準直

?從VirtualLab元件目錄使用離軸拋物面鏡（楔型）

?離軸角決定了截切區域

 

  

規格：參數概述（12° x 46°光束）

 

  

 

光束整形裝置的光路圖

 

 

?由于VirtualLab的相對坐標系統，則僅需設置z方向的距離。

?因為離軸拋物面鏡的位置是相對于它的焦點，那么到反射鏡2的距離z必須是負的。

 

反射光束整形系統的3D視圖

 

?光學元件的定位可以通過使用3D系統視圖來顯示。

?綠線表示生成的光軸，由VirtualLab的基礎定位方法生成（僅僅設置了距離z和傾角）。

 

詳述案例

 

模擬和結果

 

結果：3D系統光線掃描分析

?首先，應用光線追跡研究光通過光學系統。

?使用光線追跡系統分析儀進行分析。

 

file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd

 

使用參數耦合來設置系統

自由參數：

?反射鏡1后y方向的光束半徑

?反射鏡2后的光束半徑

?視場角，這決定了離軸取向（這些值保存為全局變量）

?由于功能原理，所有系統參數（距離，焦距，直徑）可以由光束參數分析計算。

?對于此計算，應用了嵌入的參數耦合功能。

 

 

自由參數：

?反射鏡1后y方向的光束半徑

?反射鏡2后的光束半徑

?視場角，這決定了離軸取向（這些值保存為全局變量）

?基于光束發散角和直徑（x和y方向）焦點，可以計算并設置反射鏡的直徑和距離z。

?如果這個例子評估20個參數，那么返回到光路圖（LPD）。

 

 

結果：使用GFT+進行光束整形

 

 

 

?現在，利用幾何場追跡+計算生成的光束剖面。

 

 

?由于離軸設置，光線分布顯示出輕微的不對稱形狀。

 

?不過，場分布幾乎是對稱的（最好是使用偽色（false colors））。

 

?產生的相位是完全平坦的，產生的波前誤差：

 

file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd

 

結果：評估光束參數

 

?從生成的整形光束場分布，可以評估光束參數。

?可以直接通過使用探測器界面實現。

?在這個例子中，我們對光束半徑，發散角和M2值感興趣。

?整形光束在x和y方向上顯示了一個幾乎相同的半徑。

?發散角大約是4urad。

?M2值明顯高于1。（與理想高斯光束相比，高M2值是由光束偏離引起的）

 

 

file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd

 

光束質量優化

 

?通常，使用合適的高斯調制光闌以用于優化M2值。

?因此，我們使用測量的半徑作為腰束半徑（消除發散角）來生成一個高斯光束。

?之后，將接收場轉換成一個透射函數。

?將該傳輸函數用作光闌（在一個透射函數元件中）。

 

結果：光束質量優化

?由于通過高斯孔徑傳播，光束顯示出理想高斯形狀。

?因此，M2值在兩個方向上幾乎都是1。

 

?然而，光束半徑是略有減少。

（光束半徑顯示在最后一張幻燈片是由于其偏離了理想高斯。）

 

file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd

 

反射鏡方向的蒙特卡洛公差

 

?對于公差，在隨機模式下我們使用參數運行特性。

 

?這意味著參數變化是的正態

 

 

?對于這個例子，假設每個反射鏡都有±0.1°的角度偏差（絕對的方向）。

?由于這個偏差，整形光束的波前差明顯增加。

 

這意味著，波前對對齊誤差很敏感。

 

file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run

 

第一個隨機公差的典型強度分布：（相應的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ）

 

由于波前差和因此校準的偏差更大，M2值明顯增加。可以使用高斯孔徑來減少。

 

總結

 

實現并分析高性能離軸和無色散反射光束整形裝置。

1.模擬

通過使用光線追跡來驗證反射光束整形設置。

2.研究

為了計算場分布和評價光束參數，應用幾何場追跡+（GFT+）引擎。

3.優化

通過使用顯示出高斯整形孔徑函數和經典場追跡引擎來優化M2參數。

4.分析

通過應用蒙特卡羅公差來分析取向偏差的影響。

可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模擬和分析復雜的光束整形裝置，尤其是離軸系統。為此，根據情況應用不同的模擬引擎。