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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) Dtelr=/s  
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 eRD s?n3F  
V7 c7(G  
#Jg )HU9  
简述案例 _t3n<  
>?I[dYzut  
系统详情 =`g+3 O;<  
 光源 "M2HiV  
- 强象散VIS激光二极管 #Ey!?Z  
 元件 ~g)gXPjke  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) M,:GMO:?a  
- 具有高斯振幅调制的光阑 ]Y:|%rvVH  
 探测器 ~^G k7  
- 光线可视化(3D显示) s&z+j%;+o  
- 波前差探测 NO"=\Zn6  
- 场分布和相位计算 _v<EFal  
- 光束参数(M2值,发散角) oT.g@kf=H  
 模拟/设计 2{g~6 U.  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 H$WuT;cTE  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): KI#),~n S  
 分析和优化整形光束质量 D@&0 P&  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 &R>x;&Gj  
+ImPNwrY  
系统说明 |5`z;u7V  
zR">'bM:  
rs'~' Y  
模拟和设计结果 -bduB@#2d  
&`GQS|  
or>5a9pj  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 vfm |?\  
\Ua"gS2L  
r( :"BQ  
/N]?>[<NW  
}`M[%]MNc  
总结 I[G<aI!  
Whod_Uk  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 /c8F]fkZ=  
1.模拟 :J5xO%WA(  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 \XhzaM   
2.评估 1\TXb!OtL  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 D`2Iy.|!  
3.优化 rhsSV3iM  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 bncIxxe  
4.分析 ?,O{,2}  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 k7W7S`H  
2D,9$ 0k_]  
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。 [0w @0?[  
_T7tq  
详述案例 ?`3` azfM  
f^Lw3|rq4  
系统参数 ,?P@ :S<8  
1Y_Cd  
案例的内容和目标 ehPrxIyC  
;3-5U&Axt  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 ]=m '| 0}  
%c*azo.  
Wf +j/RxTi  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ^Bf@ I  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 F\ yxXOI  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 pZ}4'GnZI  
m(L]R(t  
模拟任务:反射光束整形设置 dd@qk`Zl&A  
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。 T XWi5f[  
M1^,g~e  
E9!u|&$S  
3i/$YX5@  
za `  
`BG{\3>  
规格:像散激光光束 zB kS1qMn  
?kqo~twJ  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 \cP\I5IW:s  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 &.,ZU\`zT  
5zWxI]4d\  
Z?kLAhy!  
hiZE8?0+~N  
N{U``LV  
-{dsl|Dl  
规格:柱形抛物面反射镜 (iXo\y`z  
                         nw){}g  
 有抛物面曲率的圆柱镜 AL74q[>  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 z|; 7;TwA  
 曲率半径等于焦距的两倍 `j{q$Y=AG  
q{gt2OWqX  
fgVeB;k|  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型)  c %w h  
(vMC.y5  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 G%_6" s  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) #Cks&[!c  
 离轴角决定了截切区域 B#9rqC  
2 UU5\ jV6  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) 0*o)k6?q3  
c%9wI*l  
   -`x$a&}  
J*?BwmD'8  
光束整形装置的光路图 Bt[OGa(q  
m{4e+&S|  
fmC)]O%q  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 ;O5p>o  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。 ;$gZ?&  
(F@.o1No%  
反射光束整形系统的3D视图 {KYbsD  
Y>LgpO.  
zY6{ OP!#  
^_BHgbS%;  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 O) NEt  
 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)。 P[6@1  
{Bk9]:'$5  
详述案例 *F| j%]k~  
lX$6U| !  
模拟和结果 ICwhqH&  
`oQ)qa_  
结果:3D系统光线扫描分析 |y=;#A  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 9Ps[i)-  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 \lwYDPY:  
<+ 0cQq=2  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd R?@F%J;tx  
ov>Rvy  
使用参数耦合来设置系统 ~RGZY/4  
k9H7(nS{  
自由参数: Z |wM  
 反射镜1后y方向的光束半径 \-3\lZ3qj  
 反射镜2后的光束半径 | d}f\a`  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) LnZzY0  
 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 }`M53>C,gQ  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 ip6$Z3[)  
`|@#~  
DtkY;Yl  
n46A  
uJ ;7]  
Esh3 cn4  
自由参数: S0?4}7`A  
 反射镜1后y方向的光束半径 C%P)_)- -V  
 反射镜2后的光束半径 $t.i)wg +  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) Qx{k_ye`  
 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。 o|#Mq"od  
<X9  T}g  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 j/"{tMqQp  
b=[gK|fu  
#>~<rcE(  
结果:使用GFT+进行光束整形 ? tre)  
za{z2# aJ  
$B6CLWB  
Fr{u=0 X  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 Ckd=tvL  
c"qaULY  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 Exir?G}\  
)X*?M?~\  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 g%()8QxE1  
P(OgT/7A  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: WXz'H),R  
[KrWL;[1 <  
_ 4:@+{  
-"J6 |Y#8  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 0ox 8_l  
E({+2}=1  
结果:评估光束参数 O^fg~g X  
52+;j[ ]/O  
 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 jwsl"zL  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 ,>"rcd  
+Kc1a;  
4dy2m!  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 Jh1Q)05  
 M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的) {v&c5B~,\  
@\-i3EhR  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd zh5'oE&[yC  
GA&mM   
光束质量优化 ]3.Un,F  
RQ?T~ASs  
 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 OO%< ~H  
 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
 LW?Zd=  
Hya  ";'  
结果:光束质量优化 QF^_4Yn  
~ou1{NS  
 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 ^/;W;C{4  
zqEMR>px  
gH87e  
HN'r ZAZ(  
 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) (hywT)#+  
p^^Ai  
{"<6'2T3  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd c&zZsJ"~  
@V$,H/v:  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 cY/!z  
EJqzh i5  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 qGndh  
|12Cg>;j*n  
 这意味着参数变化是的正态 >z0~!!YZ  
_ED,DM  
C N9lK29F)  
   V>#iR>w_4,  
 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。 5+U2@XV  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 Y-(),k_Q:  
nnBgTtsC]  
|7IlYy&:  
8+^?<FKa  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ]:* 8 Mb#  
(W~jr-O^  
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) $YDZtS&h  
/EY ^ui  
Y.$InQ gL  
F?j;3@z[A  
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。 3#>;h  
c"ukV_6~J  
总结 >M.?qs4  
A`4Di8'Me  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 t3 AZS0  
1.模拟 f.Y9gkt3d  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 @Z$`c{V<  
2.研究 iQ= %iou  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 $cO"1mu  
3.优化 C]aa^_Ldd-  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 '8~cf  
4.分析 !O$*/7  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 66\0JsT?3  
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。 yI9~LTlA3  
riI0k{   
参考文献 fShf4G_w\  
[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). K?')#%Z/{#  
hq9b  
进一步阅读 m:TS .@p  
,x5`5mT3  
进一步阅读 {]ZZ]  
 获得入门视频 Kq/W-VyGh  
- 介绍光路图 6y)xMX  
- 介绍参数运行 bAeN>~WvY  
 关于案例的文档 8F0+\40  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens qF6YH  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 8?']W\)  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing yWIM,2x}  
- 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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