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2023-03-09

【Basic Edition】

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

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設定の詳細

  • 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ャ 
  • ディテクタ
    ＜光線追跡＞
    – 光線の視覚チェック（3Dディスプレイ）
    – 波面エラー検出
    ＜フィールドトレース＞
    – 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:

モデリングと設計の結果

まとめ

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ャ関数を示すアパーチャと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。

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。

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。

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

 

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）

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

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

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
  • 軸外し角は断面の切断部分を決定する 

仕様：パラメータの概要（12°x46°ビーム）

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。

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）。

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。

パラメータカップリングを使用したシステム設定 

  • 機能原理により、ビームパラメータ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。

  • 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。

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。（1）
  • 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）（2）
  • 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。

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）

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ャとして使用される（透過関数コンポーネント内）。

  • 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逸脱する理由である。

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。

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）

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ャを使用することで軽減できる

まとめ

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ャ関数を示すアパーチャとClassic Field Trancingエンジンを利用したM²パラメータの最適化
  4. 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

[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 

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