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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) W;}u 2GH  
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 {$TB#=G  
[ *a>{sO[  
OVo  
简述案例 C05{,w?  
 Dmv  
系统详情 _wJ#jJz2  
 光源 pz6- hi7  
- 强象散VIS激光二极管 1eyyu!  
 元件 <UHWy&+z&  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) -/7=\kao%  
- 具有高斯振幅调制的光阑 GvtI-\h]  
 探测器 3R[J,go  
- 光线可视化(3D显示) ]}L1W`n  
- 波前差探测 6{r[Dq  
- 场分布和相位计算 1~u\]Zi=D  
- 光束参数(M2值,发散角) Ty|c@X  
 模拟/设计 c&?H8G)x  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 ^V,/4u  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): >s?;2T2"yx  
 分析和优化整形光束质量 jL).B&  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 $>s@T(  
bme#G{[)Y  
系统说明 eKti+n.  
kc']g:*]Y  
R M+K":p  
模拟和设计结果 ? /X6x1PN  
Y +yvv{01  
Uk ;.Hrt.  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 g UAPjR  
~{$'sp0  
@!NHeH=pR  
aNU%OeQA  
$=SYssg7La  
总结 OiEaVPSI;  
H0NyxG<  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 \~j(ui|  
1.模拟 }'v ?Qq  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 7TY"{? ~O5  
2.评估 .Tqvy)'  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 &L`p4AZ  
3.优化 x&b-Na3Xi  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 /[dAgxL  
4.分析  #X_M  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 7+r5?h|  
k8>^dZub  
对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 :2gO) 'cD  
Mo|5)8_  
详述案例 ?|YQtY  
Q</HFpE  
系统参数 leJd) {  
.JKaC>oX  
案例的内容和目标 9Bw5 t@  
X_8NW,  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 EPnB%'l\c  
, .F+x}  
A8Y~^wn  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 D];([:+4  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 ,dMi+c`ax  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 u#|Jl|aT  
,Gx=e!-N5  
模拟任务:反射光束整形设置 hIr^"kVK  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 YWF<2l.  
aV, J_Q6r  
&" n9,$  
}CqIKoX.  
YHAg4 eb8  
%z(=GcWm  
规格:像散激光光束 a8c]B/  
sxa (  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 "S#hzrEdYI  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 }epN<DL  
p4_uY7^6  
:\RB ^3;  
?&_\$L[  
nzDY!Y  
.1}(Bywm5  
规格:柱形抛物面反射镜 'J$NW  
                         (Cd `~*5  
 有抛物面曲率的圆柱镜 FM];+d0  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 Mpx.n]O.  
 曲率半径等于焦距的两倍 zf#&3K'k  
8=uljn/  
YdaJ&  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) xy>mM"DOH  
YgDasKFm'  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 8^T$6A[b  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) w+H=Xh4t  
 离轴角决定了截切区域 VTa8.(i6v  
=h{2!Ah7 X  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) KQ3 On(d  
$i Tgv?.Q  
   H R  
ktRdf6:~  
光束整形装置的光路图 ESI}+  
Wd# 6Y}:  
oY:>pxSz<@  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 U>XGJQ<NS  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。 2$=HDwv  
H++rwVwj#h  
反射光束整形系统的3D视图 50A_+f.7%  
HL]?CWtGP  
$'Z!Y;Ue  
&-A 7%"  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ~ 5b %~:  
 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 {ar }.U  
:nt%z0_  
详述案例 gu!A:Q  
HS7!O  
模拟和结果 o hCPNm  
H Vy^^$  
结果:3D系统光线扫描分析 Khl7Ez  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 rYJvI  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 \N)FUYoHg  
x4K5  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd gMbvHlT  
y:L|]p}huE  
使用参数耦合来设置系统 ` {p5SYj  
t/CNxfY  
自由参数: {ig@Iy~DT  
 反射镜1后y方向的光束半径 _%]H}N Q  
 反射镜2后的光束半径 U Lq%,ca  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) s0u$DM2  
 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 nJnan,`W  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 foeVjL:T  
@?U5t1O<  
F-6* BUqJ  
3^\y>  
':=C2x1d|  
 T-\,r  
自由参数: q% "nk  
 反射镜1后y方向的光束半径 VF-d^AGt  
 反射镜2后的光束半径 *VU Xw@  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) lc#H%Qlg  
 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 W[jxfZD9v  
?/\;K1c p  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 e0TnA N  
=cQw R:):  
ra3WLK  
结果:使用GFT+进行光束整形 B.|vmq,u  
aj\'qRrU$  
khR3[ju{^  
d7&PbITN  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ]1K &U5p  
C9z{8 ;  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 U;31}'b  
\=@}(<4  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 ><=af 9T  
d09GD[5  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: L81"W`?  
75F&s,4+  
}LRAe3N%8  
~ 0[K%]]  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd }X UHP%  
..!yf e"5  
结果:评估光束参数 `'93J wYb  
[H& m@*UO  
 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。 Vf@/}=X *  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 ovl@[>OB  
x\=h^r#w  
|LQmdgVr$  
 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。 rEViw?^KT  
 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) m4iR '~L}  
pxN'E;P-  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd &qr7yyY  
CR/LV]G  
光束质量优化 ,kP{3.#Q  
T&c[m!}X|t  
 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。 ql8:s>1T  
 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}991O<  
ex['{|a{  
结果:光束质量优化 RsbrD8*AD  
1 ID! rxE  
 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。 czp5MU_^  
*-n$n  
<D=%5 5  
V;z?m)ur  
 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) Ze~\=X" "  
njIvVs`q  
)KNFS,5  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd D H/1 :H  
ILQg@J l  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 >ko;CQR  
D Lu]d$G  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 [AU1JO`\"  
V=c&QPP  
 这意味着参数变化是的正态 JmBYD[h,  
(/)JnBy0  
mMMu'N  
   u]}Xq{ZN  
 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。 6`yq4!&v  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 ]/a?:24[  
R38 w!6{  
0+L5k!1D  
HiWZ?G  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run QCjmg5bf'7  
J@$>d  
第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) Ywni2-)<  
cB<Zez  
=gj]R  
snK/,lm.  
由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 :S%|^Q AN  
)&w\9}B:  
总结 A[b'MNsv  
)JjfPb64  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Lt*H|9  
1.模拟 -AbA6_j  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 P }PSS#nn  
2.研究 !~RD>N&n  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 "XH]B  
3.优化 Ji7A9Hk  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 /E*P0y~KTW  
4.分析 'Hq}h)`  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 ='mqfGRi>  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 RpreW7B_Q*  
_x:K%1_[  
参考文献 lUp 7#q  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). T"2ye9a  
"z qt'b0bW  
进一步阅读 U$-FQRM4K  
^EB}e15"  
进一步阅读 xX&*&RPZ  
 获得入门视频 #)\KV7f! ;  
- 介绍光路图 $k!t&G  
- 介绍参数运行 h+vKai  
 关于案例的文档 gs. K,xma  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens D3jP hPy.  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens Hv%a\WNS1  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing KsHMAp3  
- 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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