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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) :WM[[LOaC  
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 kfQi}D'a  
 +}-Ecr  
ecqL;_{o  
简述案例 WVkJ=r0Ny  
iL\eMa  
系统详情 fo5+3iu^  
 光源 X ^\kI1  
- 强象散VIS激光二极管 i3usZ{_r  
 元件 d :%!)s  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) r_EuLFMA  
- 具有高斯振幅调制的光阑 TQiDbgFo  
 探测器 o?]g  
- 光线可视化(3D显示) fd&=\~1_$  
- 波前差探测 k,M %"FLQ  
- 场分布和相位计算 lRr={ >s  
- 光束参数(M2值,发散角) G&f~A;'7k  
 模拟/设计 U%zZw)  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 `a:L%Ex  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): hn p-x3  
 分析和优化整形光束质量 - )brq3L  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 r-]HmY x  
J[7|Ul1 <  
系统说明 Ua](o H  
.V'=z|   
e/nc[  
模拟和设计结果 C?47v4n-'  
}+3IM1VTW{  
W%.ou\GN^t  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 #'2CST  
\8HLQly|@  
/N?vVp  
q(YFt*(;w  
I,0Z* rw  
总结 yD n8{uI  
{24Y1ohK  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 cV+ x.)a.  
1.模拟 N-9qNLSP  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 WUesTA>  
2.评估 L^Q q[>  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 [Dou%\  
3.优化 mE+  
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。 ]Y%U5\$  
4.分析 qZ79IX'y  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 .)Af&+KT  
leMcY6  
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。 QTKN6P  
$GcVI ;a  
详述案例 0*-nVC1  
$k= 5nJ  
系统参数 tUR9ti  
n;+e(ob;;  
案例的内容和目标 -'jPue2\  
H*&ZX AKv  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 ?5yj</W  
! !9l@  
f}_d`?K  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ; D a[jFP  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 tq^d1b(j4  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 oy?>e1Sy*  
5/{";k)L+  
模拟任务:反射光束整形设置  #Lq{_Y  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 mhXSbo9w-  
_ o-lNt+  
jj&4Sv#>  
kk*:S*,  
J|D$  
[Q+qu>&HB7  
规格:像散激光光束 "Nx3_mQ  
3-T}8VsiP  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ag \d4y6  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 6-w'?G37  
01P ~K|s  
,*w  
AvNU\$B4aG  
,& ^vc_}  
kQY+D1  
规格:柱形抛物面反射镜  KOQ9K  
                         cx(W{O"Jb  
 有抛物面曲率的圆柱镜 Q4&|^RLLG  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 O^AF+c\n  
 曲率半径等于焦距的两倍 ;N FTdP  
Wveba)"$  
%488"  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) xa?#wY b  
  ps*dO  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 nvdo|5  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) [v!TQwMU  
 离轴角决定了截切区域 rq.S0bzH  
3w B03\P  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) u?>]C6$  
{ _]'EK/w  
   Po: )b  
{D(_"  
光束整形装置的光路图 Jrkj foN  
)38M~/ ^l  
a V4p0s6ZZ  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 RNJUA^{  
 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。 CX8tTbuFl  
/<Doe SDJ|  
反射光束整形系统的3D视图 <$\En[u0  
;BR`}~m  
JBsHr%!i  
r95l.v  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 e[lRY>Pe5  
 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 ZN:~etd  
"F*'UfOwrZ  
详述案例 73C  
U1>VKP;5Nn  
模拟和结果 ~$zodrS9  
w;;.bz m  
结果:3D系统光线扫描分析 vIoV(rc+  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 JERWz~n}  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 :PrQ]ss@C5  
gGiLw5o,  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd +U%U3tAvs  
M=}vDw]Q  
使用参数耦合来设置系统 2{!^"iW  
zlh}8Es  
自由参数: 9*@Kl`\  
 反射镜1后y方向的光束半径 ;(kU:b|j  
 反射镜2后的光束半径 AU@XpaPWh  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量)  4I> I  
 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。 0#}@- e  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 {&'u1yR  
v;9VX   
s ^/<6kwO  
WCbv5)uTUs  
qq&G~y  
*CA7 {2CX  
自由参数: FZM9aA  
 反射镜1后y方向的光束半径 *j,5TO-j  
 反射镜2后的光束半径 CaZ{UGokL  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 7kBULeBn|  
 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。 ldJ:A*/M6  
G?Y2 b  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 HS|X//]  
uLw$`ihw  
GRanR'xG  
结果:使用GFT+进行光束整形 C} #:<Jx  
\(lt [=  
c1IK9X*  
mW_<c,3D.  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 "RG.27  
acWm+  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 Z=sCYLm  
rNL*(PN}lO  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 ELp @/c=Wr  
eZ]4,,m  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: $18|@\Znj  
^X%{]b K  
tQy@d_a=y  
! K~PH  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd zMT0ToG  
K8.=bGyg  
结果:评估光束参数 3 *G 7H  
':71;^zXf  
 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 d jeax  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 ^ ~HV`s  
eu(1bAfS&T  
#\G{2\R  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 Aw )='&;^z  
 M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的) X[:&p|g]  
.c'EXuI7),  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd @0q%&v0  
K9FtFd  
光束质量优化 uj$b/I>.'  
)1a3W7  
 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。 DWep5$>&K  
 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)。
dZ&/Iz  
[X.sCl|  
结果:光束质量优化 N(v<*jn  
317Lv \[  
 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。 w!7f*  
j_E$C.XU{g  
8$3G c"=  
Akf?BB3bC  
 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) " 1YARGu  
RsS?ibozl  
m!s/L,iJJ  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd sm-RpZ&|  
)p7WU?&I  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 ir<HC 'D[  
&ZgB b  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 <qs>c<Vj  
~xqRCf{8  
 这意味着参数变化是的正态 &[}T41  
08&DP^NS  
i{w<4E3  
   yz!j9pJ  
 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。  Hq h  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 N=&~3k  
-.: [a3c?  
Vd[[<  
k 41lw^Jh  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run a!}.l< )  
<4,>`#NEo  
第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) NrVrR80Y  
I ;N)jj`b  
>h/J{T(P>h  
m98j`t  
由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 RQ# gn  
.,[zI@9  
总结 Sc;WraEn2  
2-i>ymoOS  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 =h^cfyj  
1.模拟 pS vDH-  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 a?CV;9   
2.研究 wE:hl  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 (Vglcj  
3.优化 zlIXia5  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 r'M|mQ$s>  
4.分析 ~M%r.WFpA  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 TOV531   
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。 Bo8+ uRF|  
hHF YAh   
参考文献 .Ya]N+r*  
[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). ^EE 3E'  
O.e^? ysp/  
进一步阅读 ?V%x94B  
\"c;MK{  
进一步阅读 g<O*4 ]=  
 获得入门视频 ?U:?o_w  
- 介绍光路图 K~OfC  
- 介绍参数运行 g,U~3#   
 关于案例的文档 I&qT3/SVI  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens +Ck F#H ~  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ~hPp)- A  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing .Y[sQO~%  
- 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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