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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) YxtkI:C?  
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 H n!vTB  
.zAafi0  
;iORfUjxrq  
简述案例 Zd(d]M_x  
S1zw'!O5  
系统详情 :'dc=C  
 光源 0X?fDz}jd  
- 强象散VIS激光二极管 I.u,f:Fl'  
 元件 0tqR wKL  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) Z]S0AB.Z@  
- 具有高斯振幅调制的光阑 _cw ^5  
 探测器 %~5Q^3$O  
- 光线可视化(3D显示) `fkri k  
- 波前差探测 #P-HV  
- 场分布和相位计算 !5OMAWNU@  
- 光束参数(M2值,发散角) |I}+!DDuv  
 模拟/设计 Kk98FI0]  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 .:ZXtU  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): arLl8G[  
 分析和优化整形光束质量 8~ )[d!'  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 |2<f<k/UT  
0:Y`#0qK  
系统说明 G r|@CZq  
-NPk N%h  
N`Xnoehu  
模拟和设计结果 $JB:rozE  
:3>yr5a7-  
I A`8ie+  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 b2=Q~=Wc  
/C"s_:m;3  
]GtR8w@w  
DsW`V~ T  
PBs<8xBx^  
总结 IaTq4rt  
*@arn Eu  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 y}-S~Ov>I  
1.模拟 EjX'&"3.  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 [a)~Dui0@\  
2.评估 @ KPv&UB  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 mjl!Nth:<  
3.优化 ]az} n(B,  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 ; 9 &1JX  
4.分析 06@0r  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 T7,Gf({  
~`>26BWQz  
对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 c^Gwri4  
.(dmuV9  
详述案例 ?*R^?[  
4EhBpTg  
系统参数 Q xF8=p  
DET!br'z5  
案例的内容和目标 h NOYFH  
x\bRj>%(  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 F}B/-".^  
9poEUjBI  
v*'iWHCl,  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 /IJ9_To  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 Z:Y.":[ Qi  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 Kpp *^  
ilRm}lU|x  
模拟任务:反射光束整形设置 C|d!'"p  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 tD~PvUJ  
>_0 i=.\  
zUEfa!#?  
[%iUg\'7d  
KG-k$glD  
G\:psx/  
规格:像散激光光束 Z:o 86~su  
;c m wh<  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 rGn5Q V  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 _czbUl  
QK3j_'F=E  
nhQ44qRgQ  
Gx h~  
w-'D*dOi  
3dX=xuQ%/  
规格:柱形抛物面反射镜 Ef_F#X0#  
                         (| 36!-(iK  
 有抛物面曲率的圆柱镜 ^!o1l-Y^gr  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 csFJ5  
 曲率半径等于焦距的两倍 kHJDX;  
/_:T\`5uO  
SZK)q   
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) K?FX<PT  
_8x'GK tU  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 A^4kYOe  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) *m| t =9E  
 离轴角决定了截切区域 !rsa4t@ t  
y= oVUsG  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) \2].|Mym  
u8<&F`7j  
   ebO`A2V'(  
}rKJeOo^x?  
光束整形装置的光路图 yUD_ w  
_>gXNS r4u  
+(=0CA0GE  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 :_o] F  
 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。 v9t4 7>V  
y~== waZw  
反射光束整形系统的3D视图 >/!7i3Ow-  
hs!UX=x|  
6Q.{llO  
JVUZ}#O  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 xfV,==uF  
 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)。 08Pt(kzNA  
ih+*T1#:(  
详述案例 dN]Zs9]  
{[M0y*^64$  
模拟和结果  .6O52E  
KMxNH,5  
结果:3D系统光线扫描分析 3~[`[4n^  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 4 |zdXS  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 )K>Eniou  
P3>..fhoW  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd lj " Z  
Q(~3pt  
使用参数耦合来设置系统 /~o7Q$)-b  
TIcd _>TW  
自由参数: w?]ZU-  
 反射镜1后y方向的光束半径 z +3<$Z  
 反射镜2后的光束半径 j!zA+hF (  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) ]dPVtk  
 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。 &\;<t, 3A~  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 2-vJv+-  
'}U_D:o.b  
y-w2O]  
`ir&]jh.A  
*'UhlFed  
U0NOU#  
自由参数: zW*}`S "  
 反射镜1后y方向的光束半径 0Y2\n-`z  
 反射镜2后的光束半径 eV[`P&j_C  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) =)(3Dp  
 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。 xN#bzma  
t{/hkXq]  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 <Vz<{W3t  
eq^TA1>T  
[8,PO  
结果:使用GFT+进行光束整形 H7{Q@D8  
|ZS 57c:  
YS]>_  
5;X {.2  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 UH5w7M  
PV?]UUc'n<  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 w- UKMW9"  
{F'Az1^I=  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 U{73Xax  
;knd7SC   
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: 'dkXYtKCB  
+IG1IF  
i\(\MzW*'  
 M{] e5+  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd . 3Gn ZR,L  
kGpV;F==*  
结果:评估光束参数 p lK=D#)  
pJd0k"{  
 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。 :bwM]k*$  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 ?$3r5sx  
4py(R-8\  
Y5HfN[u^7  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 (YIhTSL"]  
 M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的) HeCcF+  
:v`o6x8  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd PfyRZ[3)c  
+L0J_.5%^  
光束质量优化 [#0Yt/G  
QjLji +L  
 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 !(Q l)C  
 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
UV4u.7y  
h}avX*Lx_  
结果:光束质量优化 5^>n5u/  
):krJ+-/y  
 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 i`+B4I8[  
1  o|T  
hm3jpWi 8  
k5a\Sq}  
 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) ?yp0$r/  
9mQ#L<Ps  
B s,as  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd :lK4 db  
{DT4mG5  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 &s:=qQa1  
B20_ig:  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。  Vu [:A  
84'?u m  
 这意味着参数变化是的正态 71O3O7  
}kE87x'  
|6%.VY2b  
   j5\$[-';  
 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。 XvskB[\  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 L~dC(J)@ZI  
|z~LzSJv  
^Gq5ig1rxy  
5[4Z=RP  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ^YKy9zkTl  
RZO5=L9E  
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) f jI#-  
H0a -(  
F6W}mMZH/N  
x l0DN{PG  
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。 J{Tq%\a3  
f7J,&<<5w  
总结 r~8;kcu7  
`U{mbw,  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 j F5Blc  
1.模拟 6`e@$(dfA  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ;u-4KK  
2.研究  v[,Src  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 O6c\KFBSJ  
3.优化 iS: #o>  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 QZYU0; VF  
4.分析 (4+1lOd  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 oyeG$mpg  
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。 _m'ysCjA  
nWgv~{,x  
参考文献 &O1v,$}'  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). +x1/-J8_sg  
h4`9Cfrq,  
进一步阅读 %}qbkkZ  
t_c?Wp~tH  
进一步阅读 ef]B9J~h  
 获得入门视频 }T(z4P3  
- 介绍光路图 r0\f;q  
- 介绍参数运行 &RY)o^g[4  
 关于案例的文档 ycpE=fso'  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens Cvn$]bt/s  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ( $d4:Ww  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing >&K!VQ{g  
- 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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