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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) |8'}mjs.Q  
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  p& _Z}Wv  
Ak?9a_f  
=`3r'c  
简述案例 =Fz mifTc  
t{] 6GlW  
系统详情 D,cD]tB2  
 光源 xw8k<`  
- 强象散VIS激光二极管 4mDHAR%D  
 元件 CH4Nz'X2  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) -dM~3'  
- 具有高斯振幅调制的光阑 ;5/Se"Nd  
 探测器 ^UvL1+  
- 光线可视化(3D显示) 6|EOB~|  
- 波前差探测 XZOBK^,5^B  
- 场分布和相位计算 >)WE3PT/O"  
- 光束参数(M2值,发散角) =8l' [  
 模拟/设计 TgcCR:eL=  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 x<l 5wh  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): D+!T5)>(  
 分析和优化整形光束质量 (f&V 7n  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 cIO/8D#zU  
j0L%jz  
系统说明 791v>h    
)j8'6tk)Z  
rPB Ju0D"  
模拟和设计结果 I;XM4a  
Kh3i.gm7g  
&3iI\s[  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 a0ms9%Y;Q[  
h Wt_}'  
!\'w>y7  
F[c oa5  
gX!K%qJBg  
总结 5i6Ji(  
CRo @+p10  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ?.,F3@W "  
1.模拟 A@3'I  ;  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 KYTXf+oh  
2.评估 {%wrx'<  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 MTwzL<@$  
3.优化 htYfIy{5w  
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。 P=}l.R*1G  
4.分析 @^0}wk  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 %Ok#~>c  
-n@,r%`UK  
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。 p_xJ KQS  
T7qp ({v?Q  
详述案例 &4wSX{c/P  
iw.F8[})  
系统参数 :2 \NG}  
*vNAm(\N  
案例的内容和目标 k Jz^\Re  
[?6+ r  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 + $M<ck?Bo  
+^J&x>5  
aAcQmq TT  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 &xr(Kb  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 A/zAB3  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 hAgrs[OFj  
:"Vmy.xq  
模拟任务:反射光束整形设置 {dh@|BzsbH  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 W<#Kam:8e  
kJ* N`=  
ht\_YiDg3  
3 JlM{N6+  
6ZjUC1  
YxnZ0MY  
规格:像散激光光束 5-4  
4{,!'NA  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 {DVMs|5;^  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 p*jH5h cy  
U*EBH  
;Gp9 ?0  
lE+Duap:  
iqF|IVPoi  
.' v$PEy  
规格:柱形抛物面反射镜 %f\j)qw  
                         OHY|< &*  
 有抛物面曲率的圆柱镜 Ga^:y=m  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 vqF=kB"P  
 曲率半径等于焦距的两倍 ,-n_( U  
h1Y^+A_  
_Kli~$c& M  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) ,=pn}\ R  
uxX 3wY;M  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 XB[EJGaX  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) #T>pu/EQX_  
 离轴角决定了截切区域 xyV7MW\?w  
( s+}l?  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) |@B|o-  
DEPsud;  
   6 G ,cc  
U $=Z`^<  
光束整形装置的光路图 >qMzQw2  
X2 <fS~m  
wgQx.8 h>  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 z2A,*|I  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。 ASSe;+yp  
2`V0k.$?p  
反射光束整形系统的3D视图 5o^\jTEl^  
zq$0 ?vGd  
p CeCR  
Nah\4-75&  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 qP9`p4c8i  
 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)。 ws;|fY  
$m-@ICG#  
详述案例 MbQ%'z6D  
nbv}Q-C  
模拟和结果 Co/04F.  
)ItW}1[I  
结果:3D系统光线扫描分析 gP ^A  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 (2 P&@!|  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 Kciz^)'Z  
/RF&@NJE5  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ?%T]V+40  
Gg^gK*D  
使用参数耦合来设置系统 !W b Q9o  
TQpR'  
自由参数: `@&WELFv{  
 反射镜1后y方向的光束半径 MdnapxuS  
 反射镜2后的光束半径 E,/nK  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) _]< Tv3]RK  
 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 <. V*]g/;  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 =s:Z-*vy!  
*b`1+~p_2  
(ul_bA+  
)SaMfP1=v  
1#XZVp;M  
\XbCJJP  
自由参数: \mFgjP z  
 反射镜1后y方向的光束半径 WXa<(\S\V  
 反射镜2后的光束半径 dFk$rr>q  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) -S%Uw  
 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。 LP>GM=S#"  
?0d#O_la3  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 ;(Z9.  
o}L\b,])  
s[t?At->  
结果:使用GFT+进行光束整形 VP }To  
=pb ru=/  
C)&BtiUN/  
>B$B|g~  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 I9sQPa  
=BO>Bi&&  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 1 l-Y)   
' $"RQ=  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 r_Pi)MPc  
nR,QqIFFw  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: fy>~ GFk(  
!)EYM&:Y  
4@9xq<<5  
=<r1sqf  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd @h%Nn)QBq  
pE{Ecrc3|  
结果:评估光束参数 CE|rn8MB  
CS;4ysNf  
 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 =DXN`]uN  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 /Uni6O)oc  
{Lsl2@22  
|u#7@&N1  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 zCmx1Djz  
 M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的) ^K:-r !v^  
,3Aiz|v-  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 2I_~] X53[  
6P0 2=  
光束质量优化 B|r'  
#1p\\Av  
 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 :c9 H2  
 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
4i+H(d n  
5a5)hmO RB  
结果:光束质量优化 `ix&j8E22w  
QVkrhwp  
 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 2u(G:cR  
a[E}o<{  
cT nC  
@jKB[S;JSn  
 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) #cqI0ny?G  
!iW> xo  
pz]! T'  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd *$@u`nM  
$#E!/vVwD7  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 aAgQ^LY  
_P*QX  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 0xfF  
gzN51B=D  
 这意味着参数变化是的正态 k&17 (Tv$  
sEi9<$~R@0  
QSOG(}w  
   [gj>ey8T  
 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 U+&Eps&NI  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 x kdC -S  
#gXxBM  
I8uFMP  
w YQEm  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run s%1Z raMvJ  
<T]ey  
第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) zpZfsn!  
@4n>I+6*&  
"Cs36k  
L2OR<3*|Av  
由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 e0hY   
t8`wO+4@  
总结 =Q*3\ )7  
G=|~SYz  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 .h(iyCxP  
1.模拟 lX"6m}~D  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 w/*m_O\!  
2.研究 b7B|$T,  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 uaZHM@D  
3.优化 w"C,oo3  
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。 Nnq1&j"m  
4.分析 gFsqCx<q  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 O&,8X-Ix  
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。 1xInU_SPf  
lnRL^ }  
参考文献 l]OzE-*$b  
[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). Hz)i.AA 4  
F~eY'~&H}  
进一步阅读 8|zOgn{  
%r8;i  
进一步阅读 <>728;/C  
 获得入门视频 ` 46z D ?  
- 介绍光路图 &xUD (  
- 介绍参数运行 Qxk& J  
 关于案例的文档 # 1dg%  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens u1=K#5^  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens hCS}  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing qG ? :Q  
- 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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