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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) ~/h P6*  
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 "S^;X @#v  
]`y4n=L.  
WFg'G>*  
简述案例 ~^IS{1  
PS@` =Z  
系统详情 #Qy*zU#9  
 光源 O.1Z3~r-N  
- 强象散VIS激光二极管 `96:Z-!}  
 元件 >)U 7$<&b  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) >OwVNG  
- 具有高斯振幅调制的光阑 *#frbV?;  
 探测器 7Z"mVh}  
- 光线可视化(3D显示) W<B8PS$  
- 波前差探测 >u~ [{(d ,  
- 场分布和相位计算 Cfb/f]*M  
- 光束参数(M2值,发散角) *n2Q_o  
 模拟/设计 z(3mhMJY  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 EH]5ZZ[Z  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): sN 7I~  
 分析和优化整形光束质量 =6q?XOM  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 Y 1Bj++?2  
7vcYI#(2 Y  
系统说明 )AqM?FE4R  
,ibI@8;#~'  
]ODC+q1  
模拟和设计结果 EUe2<G  
0;3;Rs  
C_PXh>H]'  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 J~DP*}~XK  
_$wWKJy9  
<k5FlvE2  
]<4Yor}t{;  
E[t\LTt*n  
总结 N*lq)@smq  
#:vosVqG  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 M`KrB5a+6  
1.模拟 vP3Fb;  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 %7O`]ik:  
2.评估 fmA&1u/xMs  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 H[<"DP  
3.优化 u|WX?@\  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 ;MCv  
4.分析 7l7eUy/z  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 /+sn -$/"i  
t_3)}  
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。 GfJm&'U&  
mh.0% 9`9  
详述案例 }9:\#  
L,waQk / @  
系统参数 KHcf P7  
E` XUK,b  
案例的内容和目标 e1}h|HL j  
Rr4r[g#  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 +tdt>)a  
idPkJf/  
t{!}^{ "5  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 27t:-O  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 ;r- \h1iA'  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 !F;W#Gc  
'8i np[_  
模拟任务:反射光束整形设置 #g{ZfO[#  
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。 W5_t/_EWD  
}.o rfW  
yXppu[=  
`8xe2=Ub  
:8E(pq|1PB  
+%?_1bGX>  
规格:像散激光光束 0}PW?t76  
l0tMdsz  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束  4rwfY<G  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 /r[0Dw  
sUfH1w)0  
uzho>p[ae  
twNZ^=SGr  
aMZ6C <N  
l]T|QhiVd  
规格:柱形抛物面反射镜 &Zd{ElM  
                         Q++lgVh)E  
 有抛物面曲率的圆柱镜 zg)Z2?K|;u  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 C% }FVO\c  
 曲率半径等于焦距的两倍 ["MF-tQ5  
rbO9NRg>  
9i yNR!  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) ~hE"B) e  
#kA/,qyM  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 s7(mNpo  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) =6ZZ/+6b  
 离轴角决定了截切区域 vs7Hg )F  
}4#%0x`w  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) 3PpycJ}  
%$`pD I)  
   d01bt$8>  
V. =!^0'A  
光束整形装置的光路图 EXS 1.3>  
BtVuI5*h  
"CT'^d+  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 +QtK "5M  
 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。 jGb+bN5U7  
K>lA6i7?  
反射光束整形系统的3D视图 c[3sg  
,Tvk&<!0  
$ze%! C  
dF5EIPl;J  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 qg'RD]a>R  
 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 Br`Xw^S  
deQ0)A 4g  
详述案例 xl5mI~n_~  
Z8z.Xn  
模拟和结果 iNe;h|  
QuT8(s1Q!  
结果:3D系统光线扫描分析 r[q-O&2&  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 ">v76%>Z7  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 \WQ\q \  
:~~}|Eu  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 8l~] }2LAs  
_o'ii VDuD  
使用参数耦合来设置系统 |b QKymS  
Xg^`fRg =T  
自由参数: ;8'hvc3i$  
 反射镜1后y方向的光束半径 5qt]~v%y  
 反射镜2后的光束半径 )U`6` &F  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) E<:XHjm  
 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。 W.r0W2))(  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 $k,Z)2  
*l)_&p  
kl?U 2A.=  
l<ag\ d  
r? nvJHP  
|cEJRs@B  
自由参数: -Ds}kdxw  
 反射镜1后y方向的光束半径 [ %cW ?@  
 反射镜2后的光束半径 ZNuz%VO  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) zq>pK_WG  
 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 |F=!0Id<  
+ 0{m(%i  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 !TA6-]1  
TD'RvTpl  
Q>8F&p?R  
结果:使用GFT+进行光束整形 /x c<&  
5z~rl}`v  
'Ybd'|t{}  
'- oS=OrZ  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ,)TtI~6Q  
12`q9Io"  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 i,r O3J n  
)h]~< fU  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 0"ksNnxK  
{Fs}8\z  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: VgD z:j  
)_k"_VVcC  
29("gB  
tJ>%Xop  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Uy2NZ%rnt  
*1"xvle  
结果:评估光束参数 4y\qJw)~U  
UCG8=+t5T  
 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 o=}}hE\H  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 +;^Ux W  
x)N$.7'9OJ  
[EI~/#;  
 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。 :)o 4fOJ8  
 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) qB6@OS  
Jmrs@  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd nr7#}pzo  
I L ]uw   
光束质量优化 5b>-t#N,  
QK%Nt  
 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。 R[KF${X4  
 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)。
Fa<>2KkOr  
4wYD-MB  
结果:光束质量优化 /kV3[Rw+  
8XJg  
 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。 \d"JYym  
)4:K@  
\|e>(h!l;  
 lS@0 $  
 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。) \ #<.&`8B  
<;Q1u,Mc  
W>f q 9  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ^*s DJ #  
z=mH\!  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 loRT+u$&  
?tzJ7PJ~B  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 I(^pIe-  
#b~B 0:U  
 这意味着参数变化是的正态 ot\  FZ  
Kny0 (  
T_t5Tg~i[N  
   (V&5EO8)  
 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。 :ohGG ,`Dh  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 LSewMj  
yS#)F.  
6/-]  
G47(LE"2b  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 9NF2a)&~  
F/pq9  
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) ,+w9_Gy2H  
C@x\ZG5rA  
1Vf?Rw  
/80H.|8O  
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。 YnR8mVo5Q  
$4>(}  
总结 1O#]qZS}]  
CdBpz/  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 vEy0DHEE  
1.模拟 Wd`*<+t]  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。  yqH  
2.研究 V}3'0  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 n[S-bzU^t  
3.优化 * 'eE[/K  
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。 R*[X. H  
4.分析 yv[3&E?  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 uzoI*aqk-s  
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。 dU}Cb?]7s  
p9>{X\eT:  
参考文献 3Pu8IXW  
[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). QhhL_vP  
]z5kYU&  
进一步阅读 n~"qbtp}  
oACbZ#/@n  
进一步阅读 awXK9}.  
 获得入门视频 !dQmg'_V  
- 介绍光路图 e{EC# %x_  
- 介绍参数运行 A%[e<vj9  
 关于案例的文档 4,,DA2^!  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens zqHG2:MN"  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens  \gsJ1@  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 4s s 4O  
- 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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