bds.0005 reflective beamshaping system...22 file used:...

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

3 www.LightTrans.com

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

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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


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



1

光源


2


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


整形後


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。



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


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


y



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


光源



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



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



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


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



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


焦点距離

軸外し角

厚み

直径

768.2 mm

11°

50 mm

242.2 mm



仕様：パラメータの概要（12°x 46°ビーム）


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)



ビーム直径d1

ビーム直径d2

10 mm

80 mm



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）。



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。



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



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


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


[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).


bds.0005 reflective beamshaping system...22 file used:...

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