光束傳輸系統（BDS.0004 v1.0）

 

簡述案例

 

光源

 

- 像散光紅外激光二極管

元件

- 用于準直光束的折射透鏡系統

- 生成貝塞爾光束的錐透鏡

- 聚焦非球面透鏡

探測器

- 點列圖

- 聚焦區域的1D和2D研究

- 焦深（DOF）

- 光束參數

模擬/設計

- 光線追跡：初始焦點位置探測

- 場追跡：計算貝塞爾光束實際的形狀和焦深

 

系統描述

 

 

模擬&設計結果

 

 

其他VirtualLab Fusion特征

 

在此案例中，你將受益于以下所選的特性：

焦區域分析：

- 剖面線分析器

- 參數運行文件

- HWxM探測器

得到不同有益的信息/說明性的結果等

- 光束質量：光束尺寸和形狀

- 焦深

- 不同2D和3D圖樣，顯示了光束沿著光軸在焦區域傳播

 

總結

 

?在這個例子中，它表明了如何通過一對錐透鏡來減小焦斑尺寸以及增加焦深，。

?分析貝塞爾光束在焦區域的傳播。

?VirtualLab 能夠進行對特殊的元件，如錐透鏡生成的光束，能夠進行物理光學，如光束的輪廓和聚焦分析。

 

                                                        

 

 

詳述案例

 

系統參數

 

案例內容

 

這個應用案例演示了通過錐透鏡對生成“非衍射”（“non-diffractive”）貝塞爾光束以減小焦斑尺寸并增加焦深。

 

模擬任務

 

 

 

 

規格：非準直輸入激光光束

 

 

 與BDS.0001類似

單模紅外二極管激光器光源

 

規格：準直透鏡和之后的光

 

BDS.0001中的透鏡

其后的光束參數

 

規格：錐透鏡對

 

錐透鏡對由兩個相同的錐透鏡組成。

張角通常是定義為逆時針。

第二個錐透鏡沿光軸放置，并平行于第一個錐透鏡，兩者的相對距離為20.3672mm。張角為+20°。因此錐透鏡對起到類似一個1.0擴束起的作用。

 

規格：非球面聚焦透鏡

從目錄的非球面標簽下選擇一個平凸非球面透鏡。

模型：ALL12-25-S-U(A12-25LPX)

在BDS.0002中，當波長為1064nm的時候，其后焦距為22.576mm

 

詳述案例

 

模擬&結果

 

光線追跡：分析光束焦點

 

file used: BDS.0004_OptimizeFocalBeamSize_01_RayTracing.lpd

 

場追跡：計算衍射區中的場

 

 

幾何場追跡+（GFT+）引擎在焦區域以為計算光的傳輸是準確的。

實際上，由于幾何方法在衍射區域是無效的，則當光束傳輸受衍射效應影響的時候，必須停止使用GEF+。而在受衍射影響的位置（場重構處）需要使用一種更合適的傳輸技術。

使用經典場追跡技術可以將此處的重建光場傳播到焦區域（=衍射區）。

file used: BDS.0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+.lpd

 

場追跡：計算重建平面上的場

 

 

為了計算衍射區內的場，在離非球面18.5mm處，即幾何區域的終結處，使用了幾何場追跡虛擬屏探測器。

光作用于錐透鏡的非連續性頂點會干擾了場數值的重構，因此必須使用一個光闌阻止此效應。

file: BDS.0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+.lpd

 

使用場追跡計算衍射區域的光傳輸

?通過經典場追跡，運用獲得的重構場以計算衍射區域的光場分布。

?為了實現此目的，生成一個新的LPD，以將重構場放置在存儲場元件（Stored Field Component）中。

?然后可以添加各種元件，如光學組件或探測器，經典場追跡為場提供了更準確的評價。

?此LPD可以用于優化和使用自動化工具，例如參數運行（Parameter Run），通過改變到探測器距離來研究光束焦區域。

 

file: BDS.0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFT.lpd

 

在XZ-平面上研究焦區域

 

先前的LPD是用來執行一個參數運行，為了改變焦點和重建平面之間的距離——從3.8mm到4.3mm（對應于從22.3mm和22.8mm之間的一個非球面距離）以來研究焦區域。

兩圖都顯示了焦區域內沿x-軸的光強分布（上圖為BDS.004，下圖為BDS.002）。

相比之下，錐透鏡對在XZ-平面提供了一個光束更小的焦點。

file used: BDS.0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegion.run

 

在YZ-平面上研究焦區域

 

兩圖都顯示了焦區域內沿y-軸的光強分布（上圖為BDS.004，下圖為BDS.002）。

相比之下，錐透鏡對在YZ-平面提供了一個光束更小的焦點。

file used: BDS.0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegion.run

 

焦區域內的光束寬度

 

為了對焦區域的光束進行一個更詳細的評估，分別計算了包含（BDS.0004）和不包含（BDS.0002）錐透鏡對光學系統焦區域光束的半高寬（HWHM），并使用了高斯TEM00模式進行對比，如下圖所示。

通過使用錐透鏡對，可以很明顯的看出聚焦光斑尺寸和聚焦深度得到了明顯的提高。

 

file: BDS.0004_OptimizeFocalBeamSize_05_HWHMxyAppEx0002&0004.da

 

理論上，錐透鏡產生理想的貝塞爾光束。這些光束有在焦區域內沿著一定的具有距離“非衍射”的特性。

因此，與相似光束尺寸高斯光束相比，貝塞爾光束在焦區域內有更高的焦深和較小的發散角。

為了對比焦深，將其定義為距離，即束腰（定義為HWHM）與因子√2的乘積。

為了比較焦深，計算了高斯TEM00模以作為參考，所有光束的焦面上，其光束束腰與貝塞爾光束束腰類似。

作為對比，計算處的兩者的束腰和焦深在下表中列出。

請注意，由于進入錐透鏡的光束是一種像差和像散高斯光束，則最終生成的光束不可能是理想貝塞爾光束，。

有趣的是，通過使用錐透鏡對，光束的像散特性在焦區域得到了明顯的提升。這可以在光束y剖面的參數上看出來。

此外，相比于有相似束腰的高斯光束，生成的貝塞爾光束的焦深增加了4倍。

 

 

透鏡后22.576mm處焦斑的強度

 

file used: BDS.0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFT.lpd

其他VirtualLab Fusion特征

 

在此案例中，你將從以下選擇的特征中獲益

焦區域分析：

- 剖面線探測器

- 參數運行文件

- HWxM探測器

得到不同的信息/說明性結果等

- 光束質量：光束尺寸和形狀

- 焦深

- 不同2D和3D圖樣，顯示了光束沿著光軸在焦區域傳播

 

總結

?此案例顯示了通過如何使用錐透鏡對來減小聚焦光斑尺寸并增加焦深。

?分析了貝塞耳光束在焦區域的傳播。

?VirtualLab 能夠進行對特殊的元件，如錐透鏡生成的光束，能夠進行物理光學，如光束的輪廓和聚焦分析。

 

                                                                                                             

進一步閱讀

 

參考文獻

[1] D. McGloin, K. Dholakia, “Bessel Beams: diffraction in a new light”, Contemporary Physics, Vol. 4615 – 28, 2005.

[2] Frank Wyrowski, Huiying Zhong, Site Zhang, Christian Hellmann, ?Approximate solution of Maxwell’s equations by geometrical optics“, Proc. SPIE 9630, Optical Systems Design 2015: Computational Optics, 963009, 2015.

 

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