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無分散軸外し反射型セットアップを用いたダイオードレーザビームの整形&集光
ビーム伝送システム(BDS.0005 v1.2)
アプリケーション例の要約
設定の詳細
光線追跡
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フィールドトレース
• 光源
− 強非点収差VISレーザダイオード
• 構成
− ビーム集光および整形のための反射素子(例えば、放物面鏡 -円筒鏡)
− ガウシアン振幅変調を示すアパーチュア
• ディテクタ
− 光線の視覚チェック(3Dディスプレイ)
− 波面エラー検出
− フィールド分布および位相計算
− ビームパラメータ(M₂値、拡がり)
• モデリング・設計
− 光線追跡:最初のシステム概要と波面エラー計算
− ジオメトリックフィールドトレースプラス(GFT +)とクラシックフィールドトレース(CFT):整形ビーム品質の解析と最適化
✓素子の方位に関するモンテカルロ公差解析
システムの図解:
x
z
xz面: yz面:
z
y
放物面シリンドリカルミラー
1
光源
放物面シリンドリカルミラー
2
スクリーン
任意:
ガウシアン アパーチュア
放物面ミラーセクション
スクリーン
放物面ミラーセクション
放物面シリンドリカルミラー
1
光源
放物面シリンドリカルミラー
2
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任意:
ガウシアン アパーチュア
モデリングと設計の結果
3D
システム解析
量 値と単位
波面エラー(RMS)
発散角X × Y
2.6∙10-5
3.8 µrad ×
4.2 µrad
1.67 × 1.80最適化前のX × Y 方向の値M₂
最適化後のX × Y 方向の値M2
1.02 × 1.03
最適化後
フィールド(強度)分布 ディテクタの数値結果
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整形後
まとめ
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高性能の軸外し、および無分散反射型ビーム整形セットアップの実現と解析
1. シミュレーション光線追跡を使用した反射型ビーム整形セットアップの確認
2. 考察ビームパラメータのフィールド分布と評価を計算するためにGeometric Field Tracing Plus (GFT+)エンジンを適用すること。
3. 最適化ガウス形状のアパーチュア関数を示すアパーチュアとClassic Field Trancingエンジンを利用したM₂パラメータの最適化
4. 解析モンテカルロ公差解析を適用した方位偏差の影響の解析
複雑なビームシェーピングセットアップ、特に軸外しセットアップは、VirtualLabを使用して非常に効率的にシミュレートし、分析することができる。上記のために、必要に応じて異なるシミュレーションエンジンが適用される。
アプリケーション例の詳細
システムパラメータ
このアプリケーション例の背景と目的
アプリケーション例BDS.0001, BDS.0002, BDS.0003および BDS.0004
は屈折ビーム伝送システムが研究されている。
これとは対照的に、この例の話題は、軸外し無分散高性能反射型ビーム整形システムである。
• その目的は、レーザダイオードによって放出されたガウスビームをコリメートし、対称化することである。
• その後、整形されたビームの品質が調査され、最適化される。
• さらに、ミラー位置および傾きの偏差の影響が議論される。
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シミュレーションタスク:反射型ビーム整形セットアップ
導入された反射型ビーム整形装置は[1]のミラーシステムに基づいており、放物面鏡と組み合わせた2つの放物面シリンドリカルミラーからなる。焦点距離およびミラー位置は、入力ビームの発散に依存する。
YZ面:
スクリーン
放物面シリンドリカルミラー1
放物面シリンドリカルミラー2
光源の虚像光源 θyθx
f1f2
f3
θx,y 半角発散
fi ミラーiの焦点距離
機能原理:• ミラー1は入力ビームをコリメートする(発散θy)
• ミラー2は、ビーム発散と等しいθxを示す虚像を生成する
• ミラー3は対称ビームをコリメートする
z
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y
放物面ミラーセクション
シミュレーションタスク:反射型ビーム整形セットアップ
x
z
放物面シリンドリカルミラー1
光源
放物面シリンドリカルミラー2
放物面ミラーセクション
スクリーン
光源の虚像1光源の虚像2
XZ面:
機能原理• 軸外し角(画角+θx)• ミラー1および2は、この平面内で平
坦である(したがって、発散の可能性はない)
• ミラー2の焦点は虚像1と一致する• ミラー3の焦点は虚像2と一致する• ミラー3は対称ビームをコリメートする(発散θx)
θx θx θx
軸外し角
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仕様:非点収差レーザービーム
• レーザダイオードによって放射される強い非点収差のガウスビーム
• x方向およびy方向の発光領
域の起こりうるずれを無視する
パラメータ 値と単位
波長
光源タイプ
ビーム強度の発散
入力平面までの距離
532 nm
ガウシアンビーム
12° x 46° (1/e2減衰による)
24.0 mm
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仕様:放射線状 シリンドリカルミラー
• 放物面のような曲率を有するシリンドリカルミラー
• 円錐定数-1を用いて実現された円錐形界面を適用する。
• 曲率半径は焦点距離の2倍に等しい
パラメータ 値と単位
7.43 mm × 30.0 mm
− 47.12 mm
直径ミラー1
曲率半径ミラー 1
直径ミラー2
曲率半径ミラー 2
30.0 mm × 30.0 mm
190.3 mm
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仕様:軸外し放物面ミラー(ウェッジタイプ)
• ビームの軸外しコリメーションのための対称放物面ミラーの断面
• VirtualLabのコンポーネントカタログ
から軸外し放物面ミラー(ウェッジタイプ)を使用する
• VirtualLabのコンポーネントカタロ
グから軸外し放物面ミラー(ウェッジタイプ)を使用する
パラメータ 値と単位
焦点距離
軸外し角
厚み
直径
768.2 mm
11°
50 mm
242.2 mm
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仕様:パラメータの概要(12°x 46°ビーム)
パラメータ 値と単位
5°
6°
23°
6.0005 mm
4.4892 mm
1.0814 mm
フィールド角
半角発散x(θx)
半角発散y(θy)
焦点距離ミラー1 ( f1)
焦点距離ミラー2 ( f2)
焦点距離ミラー3 ( f3)
ビーム直径d1
ビーム直径d2
10 mm
80 mm
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ビーム整形セットアップのLight Path View
• VirtualLabの相対的な位置決めシステムにより、z方向の距離のみを設定する必要がある。
• 軸外し放物面ミラーの位置決めは、その焦点に関連しているので、ミラー2に対するz距離は負でなければならない。
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反射型ビーム整形システムの3Dビュー
• 光学素子の位置決めは、3Dシステムビューの使用によって表示することができる。
• 緑色の線は、光軸を示しており、VirtualLabの基本的な配置方法によって生成された結果である。(Z距離と傾きのみが設定されている)。
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アプリケーション例の詳細
シミュレーションと結果
結果:3Dシステム光線追跡解析
• 最初に、光線設定を通る光の伝播を調べるために、光線追跡が適用される。
• 分析のために、光線追跡システムアナライザが使用される。
18 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd www.LightTrans.com
パラメータカップリングを使用してシステムを設定する
• 機能原理により、ビームパラメーターから解析的にすべてのシステムパラメータ(距離、焦点、直径)を計算することができる。
• この計算では、パラメータカップリング機能が適用される。
以下のパラメータは、ビームパラメータとは無関係であり、シンプルなシステムバリエーションを可能にする。
• ミラー1の後ろのビーム半径(y方向)
• ミラー2の後ろのビーム半径
• 軸外しの方向を決定する視野角
I.e.使用されるパラメータカップリングスニペットコードは、変更された画角の場合、システム全体が適切に調整されるようにする。
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パラメータカップリングを使用してシステムを設定する
• ビームの発散および直径(xおよびy方向)に基づいて、ミラーの焦点、直径およびz距離が計算され、設定される。
• この例の場合、20のパラメータが評価され、光路図(LPD)に戻される。
c#を使用し
た計算スニペット
グローバル変数
システムパラメータ
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結果:GFT +を使用したビームシェーピング
• 次に、Geometric Field Tracing
Plusを使用して結果のビームプロファイルを計算する。
• 軸外し光学系のために、光線分布はわずかに非対称の形状を示す。
• それにもかかわらず、フィールド分布はほぼ左右対称である(偽色を使用した方が良い)
• 得られる位相は完全に平坦であり、波面誤差は次のようになる。
21 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd www.LightTrans.com
結果:ビームパラメータの評価
• 結果として生じる整形ビームのフィールド分布から、ビームパラメータを評価することができる。
• これは、ディテクタリボンを使用してインタフェースを介して直接行うことができる。
• この例では、ビームの半径、発散、およびM²値を確認する。
• 整形ビームは、xとyにおいてほぼ同じ半径を示す。
• 発散は約4μradである。
• M²値は明らかに上である(より高いM²値は、理想的なガウスビームと比較してビームパラメータの偏差によって生じる)
22 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd www.LightTrans.com
ビーム品質の最適化
• 通常、適当なガウス変調を有する開口がM₂値を最適化するために使用される。
• したがって、測定された半径をウエスト半径(消失の発散)としてガウスビームを生成する。
• その後、受信したフィールドを送信関数で変換する。
• この透過関数はアパーチュアとして使用される(透過関数コンポーネント内)。
23 file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd www.LightTrans.com
結果:ビーム品質の最適化
• ガウス開口を通る伝播のため、ビームは理想的なガウス形状を示す。
• したがって、M²値は両方向ともほぼ1になる。
• しかし、ビーム半径はわずかに減少する。.
(最後のスライドに示されたビーム半径が、理想的なガウスからの逸脱する理由である。)
24 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd www.LightTrans.com
ミラーの方位に対するモンテカルロ公差解析
• 公差のために、ランダムモードでパラメータ実行機能を使用する。
• これは、変動パラメータの正規分布を
• 意味する。
• したがって、偏差の組合せの影響を調べることができる。
• この例では、各ミラーに対して±0.1°の
角度偏差が仮定されている(孤立した向き)。
• この偏差のために、成形されたビームの波面エラーが顕著に増加する。
• これは、波面がアライメントエラーに対して非常に敏感であり影響を受けやすいことを意味する。
25 www.LightTrans.comfile used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
ミラーの方位に対するモンテカルロ公差解析
最初のランダム公差解析の例示的な強度分布:(対応するRMS波面誤差:1.08λ、
40.4λ、140λ)
1.08λ 40.4λ 137λ
M²: 1.30 × 2.37 M²: 252 × 1.04 M²: 858 × 1.03
波面エラーが大きくなり、アライメント偏差が大きくなると、M₂値が大きく増加する。
これはガウシアンアパーチュアを使用することで軽減できる
M²: 1.98 × 14.8
最適化後
26 www.LightTrans.comfile used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
M²: 349 × 1.87 M²: 1183 × 1.84
まとめ
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高性能な軸外し、および無分散反射型ビーム整形セットアップの実現と分析
1. シミュレーション公差解析を使用した反射型ビーム整形セットアップの確認
2. 考察ビームパラメータのフィールド分布と評価を計算するためにGeometric Field
Tracing Plus(GFT +)エンジンを適用すること。
3. 最適化ガウス形状のアパーチュア関数を示すアパーチュアとClassic Field Trancing
エンジンを利用したM₂パラメータの最適化
4. 解析モンテカルロ公差を適用した方位偏差の影響の解析
複雑なビームシェーピングセットアップ、特に軸外し光学系は、VirtualLabを使用して非常に効率的にシミュレートし、解析することができる。上記のために、必要に応じて異なるシミュレーションエンジンが適用される。
参考文献
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[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).
関連資料
関連資料
• Get Started動画
− Introduction to the Light Path Diagram
− Introduction to the Parameter Run
• このアプリケーション例に関連するドキュメント
– BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
– BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens
– BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
– BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using
Axicon Pair
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