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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!RGtn  
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 -^546 7  
7/ ?QZN  
h%krA<G9  
简述案例 IHYLM;@L  
jx]P:]  
系统详情 T*f/M  
 光源 xEp?|Q$  
- 强象散VIS激光二极管 'gvR?[!t  
 元件 l6y}>]  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) )@X0'X<  
- 具有高斯振幅调制的光阑 =o~GLbsER  
 探测器 QYboX~g~p  
- 光线可视化(3D显示) 8.[F3Tk=  
- 波前差探测 Jsysk $R  
- 场分布和相位计算 68Gywk3]=u  
- 光束参数(M2值,发散角) d<6F'F^w.7  
 模拟/设计 5$: toL  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 DK\XC%~m  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): !: ^q_q4  
 分析和优化整形光束质量 L%T(H<G  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 {]< G=]'  
jYFJk&c  
系统说明 p 1'l D  
]7O<|8n!d  
&ASR2J  
模拟和设计结果 4"|Xndh1.  
h 6Z:+  
3R3H+W0{  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 kFv*>>X`  
('tXv"fT  
T&?g)  
x,!Dd  
n^Ca?|} ,  
总结 @ph!3<(In,  
dRX~eIw  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 wqb4w7%  
1.模拟 9{*{Ba  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 wlT8|  
2.评估 >u?.gJm~  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 q(?+01  
3.优化 H#~gx_^U  
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。 q 84*5-  
4.分析 V4:/LNq_]  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 :A8}x=K  
0O9b 7F  
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。 ;=Ma+d#  
QB*,+u4  
详述案例 An{>39{  
X zJ#)}f  
系统参数 \c< oVF'  
EtKq.<SJ  
案例的内容和目标 _MBhwNBxZ  
h2ROQKL"B  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 fg^AEn1i  
UK ':%LeL  
C!j3@EZ$  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 T/_u;My;  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 ppyy0E^M  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 .a.H aBBV  
Q$E.G63Wl  
模拟任务:反射光束整形设置 *;fTiL  
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。 %Mda<3P  
2~kx3` Q  
/Y #8.sr  
FDMQ Lxf  
V<QpC5  
JQV%W +-@  
规格:像散激光光束 qyz%9 9  
|+Y-i4t  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 .xT?%xSi/  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 q+?&w'8  
?Mjs[|  
1bFZyD"  
Jt_=aMY:7  
X+4Uh I  
Kxsd@^E  
规格:柱形抛物面反射镜 gP% <<yl  
                         h/Mt<5  
 有抛物面曲率的圆柱镜 Tn7Mt7h  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 + -<8^y  
 曲率半径等于焦距的两倍 7{#p'.nc5  
2{ F-@}=  
imM!Me 0TE  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) Xf4QLw/r  
+^AdD8U  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 K *@?BE  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) S5).\1m h[  
 离轴角决定了截切区域 8{>|%M  
o?a2wY^_  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) C*YQ{Mz(f  
S Qmn*CW  
   mB`HPT  
)z7CT|h7S  
光束整形装置的光路图 F'uqL+jVO  
[G_ ;78  
H:G``Vq;0m  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 #un'?]tZF  
 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。 ToHx!,tDS  
zZ[kU1Fyv  
反射光束整形系统的3D视图 WI1Y P0V  
qsj$u-xhX  
#VhdYDbW  
4rhHvp  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ) 8xbc&M  
 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 .U{}N%S  
[vr"FLM|9  
详述案例 qjRbsD>  
Ku'a,\7z  
模拟和结果 zw3I(_d[  
Y~Uf2(7b5  
结果:3D系统光线扫描分析 tar/no  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 5YrzOqg=  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 LuRCkKJ  
<SE-:T]sBz  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd gYt=_+-  
`C4(C4u  
使用参数耦合来设置系统 J{4=:feIC?  
P,8TO-e7  
自由参数: P*k n}:  
 反射镜1后y方向的光束半径 |K. I%B  
 反射镜2后的光束半径 !~zn*Hm  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) dsX"S;`v  
 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 2H;#L`Z*  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 _E9[4%f  
/K2[`+-  
s58dHnj5+  
hGKQK ^bn  
%Ja0:e  
h8WM4 PK  
自由参数: hvI#D>Z!Yp  
 反射镜1后y方向的光束半径 vAP1PQX;  
 反射镜2后的光束半径 eJf]"-  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 1#L%Q(G  
 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 iklZ[G%A0  
7Ws88Qs)  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 R.1.LB  
eSZ':p  
x'-gvbj!  
结果:使用GFT+进行光束整形 MHp:".1  
a,fcKe&B  
 `\##M=  
I>8_gp\1  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 3Z~_6P^ +N  
\hBzQ%0  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 3ylSO73R  
P\@kqf~pC  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 (-J'x%2)  
Ca5LLG  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: jBEW("4R  
,5U[#6^  
pcIS}+L  
{ Mf-?_%  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd  rPr]f;  
\R9izuc9  
结果:评估光束参数 bp" @ p:  
g3Q;]8Y&  
 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 X   
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 -F(luRBS(W  
Ugo!  
| oOAy  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 ,yp#!gE~  
 M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的) u)zv`m  
B&7:=t,m(  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd K8&) kfyI  
Aua}.Fl,  
光束质量优化 1.N2!:&G|  
n5oX51J  
 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 [CI0N I6F  
 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
#%%!r$UL  
Jza ?DhSAZ  
结果:光束质量优化 FzSL[S4i  
cDYO Ju.  
 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。 _PGd\>Ve  
{ 2Ew^Li  
V60"j(  
`gC J[  
 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。) XgXXBKf$  
B[h^]k  
B1Pi+-t  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd x|AND]^Q  
-da: j-_  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 KT 6 ppo  
hi(e%da  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 j(k%w  
K;Hgq4  
 这意味着参数变化是的正态 } 7:T? `V:  
O3T7O`H[  
eU`O=uE   
   gm-9 oA X  
 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。 $0OOH4  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 @vib54G  
9 !UNO  
WrRY 3X  
 y<m[9FC}  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 3b#L*-  
j+dQI_']x  
第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) {98e_z w  
q7_Ttjn-DV  
JC9$"0d7  
=vQ J2Rg  
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。 cX4]ViXSr  
5`:d$rv  
总结 X@:Y./  
O^6anUV0  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ?EHheZ{  
1.模拟 |N)),/R_  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。  f9<"  
2.研究 ]91QZ~4a  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 XjP;O,x  
3.优化 Zo^]y'  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 Nmt~1.J  
4.分析 v.4G>00^  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 QY<5o;m`  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 KZ#\ >  
dS <*DP  
参考文献  \G)F*  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). :?y Ma$  
|6^%_kO!|  
进一步阅读 X's<+hK&  
gX-hYQrC  
进一步阅读 djw\%00&#  
 获得入门视频 4$ihnb`DQN  
- 介绍光路图 Y.tT#J^=  
- 介绍参数运行  QX<x2U  
 关于案例的文档 1kUlQ*[<|  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens |</)6r  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens hOj+z?  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 7m]J7 +4  
- 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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