Leistungsbeschreibung von BeamXpertDESIGNER

 

1. BeamXpertDESIGNER ist eine 3D-Echtzeitsimulationssoftware für die Laserstrahlpropagation. Das Programm simuliert die Ausbreitung der transversalen Ausdehnung von Laserstrahlprofilen durch optische Systeme bestehend aus Linsen, Spiegeln, Strahlteilern und Prismen. Es gestattet die Vorhersage der Strahlpropagationsparameter wie sie in den ISO-Normen 11145 und 11146 definiert sind. Dies beinhaltet u. a. die Berechnung des Laserstrahldurchmessers an beliebiger Position im optischen System, die Position und Ausdehnung von Laserstrahltaillen (Foki), Divergenzwinkel, Rayleigh-Länge und die Beugungsmaßzahl M².

2. Die Ausdehnung von Laserstrahlprofilen gemäß 1. wird durch die sogenannte Varianzellipse beschrieben. Eine Varianzellipse wird durch die Position ihres Mittelpunkts, die Längen ihrer beiden Halbachsen und ihren Azimutwinkel in einem Referenzsystem beschrieben. Diese Größen sind direkt mit den ersten und zweiten Momenten der Leistungsdichteverteilung in der jeweiligen Referenzebene verknüpft. BeamXpertDESIGNER berechnet nicht die Struktur von Leistungsdichteverteilungen, sondern ausschließlich ihre Ausdehnung im oben beschriebenen Sinn.

3. Die Simulation der Propagation der Laserstrahlung in BeamXpertDESIGNER beruht im sogenannten „Beam“-Modell auf:

a) der Propagation der Strahlachse (auch off-axis) via klassischem Raytracing, wodurch in jeder Referenzebene die Position der Varianzellipse bestimmt wird und

b) der Propagation der Momente zweiter Ordnung der Wigner-Verteilung in einem sich mit der Strahlachse bewegenden Koordinatensystem. Zur Unterscheidung mit den literaturüblichen Momenten zweiter Ordnung bezogen auf eine festes, durch das optische System vorgegebene Koordinatensystem werden diese hier „lokale Momente zweiter Ordnung“ genannt. Die Verwendung der lokalen Momente zweiter Ordnung erlaubt eine weniger strenge Anwendung der paraxialen Näherung, die bei off-axis verlaufenden Strahlen erheblich genauere Ergebnisse ermöglicht. Diese Art der Propagation ist sehr gut geeignet für aberrationsarme, beugungsfreie und näherungsweise paraxiale Systeme.

In optischen Systemen mit starken Aberrationen und starker Beugung (z. B. durch Aperturen, die den Strahl beschneiden) können die Simulationsergebnisse deutlich von der Realität abweichen. Es liegt in der Verantwortung der Anwenderin bzw. des Anwenders zu prüfen, ob das zu simulierende optische System in den Anwendungsbereich der Software fällt.

4. Neben dem „Beam“-Modell kann BeamXpertDESIGNER die Propagation von Laserstrahlung auch durch sogenannte Gauß-Schell-artige Strahlenbündel simulieren („Ray“-Modell). Diese Strahlenbündel bestehen aus einer Vielzahl von geometrisch-optischen Teilstrahlen. Dem Bündel als Ganzes werden die Strahlpropagationsparameter des zu simulierenden Strahlungsfeldes aufgeprägt. Die einzelnen Strahlen des Bündels werden mittels klassischem Raytracing durch das optische System propagiert und aus dem Bündel an beliebigen Referenzflächen werden wiederum die Strahlpropagationsparameter ermittelt. Durch Vergleich der Ergebnisse, die mit Hilfe des „Beam“-Modells bestimmt wurden, bzw. durch Beobachtung einer möglichen Veränderung der Beugungsmaßzahl M² kann auf den Einfluss von Aberrationen im System geschlossen werden. Auch dieser Ansatz gilt nur für beugungsfreie Systeme mit nicht zu starken Aberrationen und es obliegt der Anwenderin bzw. dem Anwender zu prüfen, ob das zu simulierende optische System in den Anwendungsbereich der Software fällt.

5. Die Bedienung von BeamXpertDESIGNER erfolgt mit einer Bedienoberfläche, die an CAD-Programme für mechanisches Design angelehnt ist. Alle Komponenten können per Mausklick direkt ausgewählt und bewegt werden, während die Auswirkungen auf die Laserstrahlung gemäß 1. sowohl visuell als auch numerisch dargestellt werden.

6. BeamXpertDESIGNER gestattet in der Hand der fachkundigen Anwenderin, bzw. des fachkundigen Anwenders die zügige Analyse von optischen Aufbauten, die Laserstrahlung nutzen. So kann beispielsweise der Einfluss von Aberrationen bestimmt werden, können asphärische Komponenten optimiert werden, kann Laserstrahlung kollimiert werden und können definierte Fokusse (Durchmesser und Lage im Raum) erzeugt werden.

7. BeamXpertDESIGNER simuliert die Ausbreitung der Laserstrahlprofile gemäß 1., die durch die Nutzerin bzw. den Nutzer in Form der Eigenschaften der Laserstrahlquellen in der Software definiert werden. Die Erlangung der Kenntnis über die entsprechenden Parameter der Laserstrahlquelle durch bspw. Messung oder Berechnung obliegt ausschließlich der Nutzerin bzw. dem Nutzer.

8. BeamXpertDESIGNER wird mit einer umfangreichen Glasdatenbank und einer Komponentendatenbank ausgeliefert, die Parameter wie Geometrie und Material der Komponenten zahlreicher Optikhersteller enthält. Diese Komponenten können u. a. an Hand ihres Namens direkt aus der Datenbank in die Simulation integriert werden. BeamXpert erhält diese Informationen von den Herstellern bzw. entnimmt sie aus öffentlich zugänglichen Spezifikationen. Die Korrektheit der von den Herstellern übernommenen Komponentendaten und deren Übereinstimmung mit den realen Komponenten liegt außerhalb des Verantwortungsbereichs der BeamXpert GmbH.

9. Die Nutzerin bzw. der Nutzer kann eigene Komponenten definieren, sowie verschiedene Komponenten gruppieren und als eigenständige Komponenten abspeichern. Die erstellten Setups können mit BeamXpertDESIGNER gespeichert und wieder eingelesen werden. Hierfür wird ein proprietäres Datenformat verwendet.

10. Die Berücksichtigung von Polarisationseffekten ist sowohl mit dem „Beam“- als auch „Ray“-Modell prinzipiell möglich, in der aktuellen Version von BeamXpertDESIGNER jedoch nicht implementiert.

11. Die Übertragung der Simulationsergebnisse von BeamXpertDESIGNER in reale optische Aufbauten und ihre Folgen liegen immer vollverantwortlich in der Hand der Nutzerin bzw. des Nutzers. Abweichungen zwischen simulierten und realen Strahlverläufen sind auf Grund der mit Messunsicherheiten behafteten Eingangsgrößen (Strahlqualität, bzw. Laserstrahlparameter der Laserstrahlquelle, Geometrien der Optiken und des mechanischen Aufbaus, etc.) zu erwarten.

12. BeamXpertDESIGNER läuft auf allen handelsüblichen PCs unter den Betriebssystemen Microsoft® Windows® 7, 8 und 10 (32 Bit und 64 Bit) mit mindestens 1 GB freiem Arbeitsspeicher, einem 32-Bit (x86)- oder 64-Bit (x64)-Prozessor mit einer Taktfrequenz von mindestens 800 MHz und 100 MB freiem Festplatten-Speicher. Unterstützt werden die Home-, Professional- und Enterprise-Version. Es wird ein freier USB-Port (Typ-A-Buchse mit USB-2.0 oder höher) für einen Kopierschutzdongle benötigt. BeamXpertDESIGNER nutzt die OpenGL®-Unterstützung von Grafik-Chips (Version 2.0 oder höher). Die Verwendung einer dedizierten Grafikkarte ist im Allgemeinen unnötig. Für eine noch bessere Darstellung werden (unter geeigneter Hardware) auch UHD-Monitore unterstützt. Zur Erstinstallation ist die Verwendung eines CD/DVD-Laufwerks zu empfehlen, das Mini-CDs einlesen kann.

13. Die Auslieferung von BeamXpertDESIGNER erfolgt auf einer Mini-CD zusammen mit einem USB-Kopierschutzdongle. Zum Ausführen der Software ist die Nutzung des Kopierschutzdongles in einem USB-Port (Typ-A) Voraussetzung. Nach der Auslieferung des Dongles ist die Aktivierung desselben einmalig mit Hilfe eines Aktivierungscodes nötig. Der Aktivierungscode wird der kaufenden Partei per E-Mail nach dem Kaufprozess mitgeteilt. BeamXpertDESIGNER wird mit einer Hilfe-Datei ausgeliefert, die stetig weiterentwickelt wird. Die Lieferung eines gedruckten Handbuchs und die Veröffentlichung des Handbuchs als PDF-Datei auf der Website der BeamXpert GmbH sind geplant, derzeit aber nicht Vertragsbestandteil.