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xunjigd 2016-11-13 21:47

VirtualLab运用:反射光束整形系统

光束传输系统(BDS.0005 v1.0) F{~r7y;0  
二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 {eN{Zh5"  
.t[ZXrd| 0  
:k(t/*Nl3  
简述案例 B\ >}X_\4  
*N e2l`!1m  
系统详情 }.V0SM6  
 光源 @ZR4%A"X4  
- 强象散VIS激光二极管 {)9HS~e T  
 元件 @ ^6OV)  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) (`.qG &6p  
- 具有高斯振幅调制的光阑 ss@}Dt^  
 探测器 #s R0*  
- 光线可视化(3D显示) '# IuY  
- 波前差探测 C"Q=(3  
- 场分布和相位计算 \If!5N  
- 光束参数(M2值,发散角) @j2*.ee  
 模拟/设计 )/ T$H|  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 * r4/|.l  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): ( WtE`f;Q  
 分析和优化整形光束质量 4\SBf\ c  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 EJ;0ypbG  
$]U5  
系统说明 V&j.>Y  
{G1aAM\Hz  
D)ne *},  
模拟和设计结果 xnuv4Z}]t  
cU5"c)$'  
,#jhKnk2e  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 -1r & s  
|od4kt  
VO;UV$$  
cvXI]+`<3\  
-,fa{yt-  
总结 V_A,d8=lt  
6|>\&Y!Q  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 g=g.GpFt  
1.模拟 ]1|Ql*6y,  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 kl3S~gE4@  
2.评估 6n6VEwYj  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 s3_e7D ^H  
3.优化 _?]BVw  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 + 65~,e  
4.分析 @U /3iDB\  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 Bpm5dT;  
F2PLy q  
对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 ~Ri u*<  
T:g4D z*2\  
详述案例 78a-3){  
'=K of1  
系统参数 !G"9xrr1  
N{hF [F  
案例的内容和目标 3gI[]4lRH  
Zu0;/_rN  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 ;&W;  
MCi`TXr  
V^`?8P8d  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 3?*M{Y|  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 Y0 X"Zw  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ^QXw[th!d  
a:-)+sgHw  
模拟任务:反射光束整形设置 HL(U~Q6JQ  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 s7.p$r  
{n'qKur xY  
.W@(nQ-<  
,h@R' f !  
F[7Kw"~J  
vlPl(F1  
规格:像散激光光束 Q9yGQu  
/Oggt^S  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 R*Xu( 89  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 5U)ab3 :  
FM9X}%5nu9  
*1Ut}  
Wiq{wxe  
s,$Z ("B  
YH'$_,8peM  
规格:柱形抛物面反射镜 B|Fl ,55  
                         @3 -,=x  
 有抛物面曲率的圆柱镜 Gq0]m  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 @ kJ0K  
 曲率半径等于焦距的两倍 7>'uj7r]=  
tIGVB+g{F  
y^mWG1"O  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) A[^qq UL'  
z29qARiX  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 n%0]V Xx#  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) kfqpI  
 离轴角决定了截切区域 S]e j=6SP  
+9CEC1-l  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) <$ i"zb  
>Lw}KO`  
   @cuD8<\i  
49+ >f  
光束整形装置的光路图 hncS_ZA  
Qy=HrL]x  
OuOk=  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 ET,Q3X\Oe  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。 Dd!Sr8L[  
^w:OS5%R  
反射光束整形系统的3D视图 uFwU-LCe  
yaH Trh%  
.7 (DxN  
y4xT:G/M  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 lQV|U;~D  
 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 .O5LI35,  
xab]q$n]k  
详述案例 1Yc%0L(  
@gt)P4yE  
模拟和结果 *:=];1 O  
s<A*[  
结果:3D系统光线扫描分析 ?mH@`c,fM  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 D 4< -8  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 "| K f'/r  
r1i$D  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd [096CK  
IFiTTIlT0  
使用参数耦合来设置系统 <jbj/Q )"  
cu[!D}tVU  
自由参数:  f>.4-a?  
 反射镜1后y方向的光束半径 +"]oc{W!  
 反射镜2后的光束半径 X'cf&>h  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) j((hqJr  
 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 :e1'o  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 JXpoCCe  
n!GWqle  
CN$I:o04C  
\r)%R5_CQ  
y^2#9\}K  
:3JCvrq  
自由参数: }o-|8P:Y  
 反射镜1后y方向的光束半径 2 9q?$V(  
 反射镜2后的光束半径 %$Aqbd  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) @ru<4`h  
 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 aK]7vp+  
K!GUv{fp  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 wD`[5~C{  
IuNkfBe4m  
H{ZLk,  
结果:使用GFT+进行光束整形 #nKRTb+{  
cv3L&zg M  
Ig<}dM.Z[  
kEO1TS  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 +9RJ%i&Ec  
~%`EeJwT  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 NdZ)[f:2  
<nBo}0O}  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 d7E7f  
hHpx?9O+!  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: B$ui:R/ t  
[q'eEN G  
(wife#)~  
#zxd;;p3  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd i<mevL  
^\MhT)x  
结果:评估光束参数 F#su5<d  
sc%dh?m7  
 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 Vn'?3Eb<  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 ) !i!3  
EJ G2^DSS  
D ZVXz|g  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 ?1CJf>B>  
 M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的) K5{{:NR$  
4Q;<Q"  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd \*uugw,\y  
okz]Qc>G  
光束质量优化 pajy#0 U  
mbyih+amCr  
 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 8)pB_en3sO  
 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
0(8gQ 2n  
e8{^f]5  
结果:光束质量优化 MI\]IQU  
pw3 (t  
 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 ugI#ZFjJWE  
\ n_3Bwd~  
2SciB*5  
;, rnk-  
 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) OF8WDo`  
<7^Kt7k  
6 Uw;C84!  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd Jn*Nao_)  
g5}lLKT  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 E5gl^Q?Z  
D-pX<0 -y  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 .b,~f  
N<liS3>  
 这意味着参数变化是的正态 '00J~j~  
e\r7BW\Y  
UfKkgq#  
   )Oievu_"|  
 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 < eQ[kM  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 J)*8|E9P  
nW GR5*e:  
b@ 6:1x  
|{f~Ks%  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run (B:uc_+  
o8{<qn|  
第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) 1~@|e Wr|  
Fg=v6j4W  
rz.IoQo  
[D[D`gpjA  
由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 cy3M^_5B<  
o?wt$j-  
总结 _2OuskL  
U:n*<l-k}  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 :B.G)M\  
1.模拟 v459},!P  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 o1k#."wHr  
2.研究 p=B?/Sqa  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 L/x(RCD  
3.优化 yp+F<5o  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 (6R4 \8z2  
4.分析 iyj3QLqE  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 %S`ik!K"I  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 jDTUXwx7V  
azX`oU,l  
参考文献 :l"dYfl  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). lKWr=k~  
bSrZ{l  
进一步阅读 ?Y3@"rdR  
o&$hYy"<.L  
进一步阅读 tD-gc ''H  
 获得入门视频 nxQ}&n  
- 介绍光路图 Yy h=G  
- 介绍参数运行 ? )_7U  
 关于案例的文档 /{X_ .fv<v  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens Ae49n4J  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens {/ &B!zvl  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing |$e:*  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
槐花村人 2016-11-13 22:38
学习一下。
chenxiaohjk 2016-11-18 11:45
非常有用,谢谢!
哥斯拉大脚掌 2017-11-14 10:37
很棒 学习一下!
changying10010 2018-01-30 11:41
讲的很详细
jsdyf 2018-09-13 13:39
学习了
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