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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) {({ R:!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 $4sA nu]  
DhHtz.6  
$f9 ,##/  
简述案例 X,&`WPA:S  
&&ja|o-  
系统详情 *u58l(&`8  
 光源 =Z^un&'  
- 强象散VIS激光二极管 9#Z zE/  
 元件 9GtLMpy  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) SCqu,  
- 具有高斯振幅调制的光阑 HhzkMJR8  
 探测器 coW)_~U|  
- 光线可视化(3D显示) y(V&z"wk[  
- 波前差探测 {n pOlV  
- 场分布和相位计算 \A` gK\/h  
- 光束参数(M2值,发散角) D\@e{.$MZ|  
 模拟/设计 w 7Cne%J8  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 _xa}B,H  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): U<K|jsFo  
 分析和优化整形光束质量 |{zHM23gD  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 g9M')8a n  
'9f6ZAnYpQ  
系统说明 A{G5Plrh  
N`J:^,H  
v`@5enr  
模拟和设计结果 ;OQ#@|D  
4F}g(  
)-MA!\=<  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 !IfI-Q  
bXa %EMF  
3csm`JVK  
-bv>iIC  
#8P#^v]H  
总结 oH!$eAU?  
cdd P T  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ZD$-V 3e`  
1.模拟 "bv,I-\  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 p7%0hLW  
2.评估 Xw&QrTDS`  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 b #o}=m  
3.优化 a7ub.9>  
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。 LsuAOB 8  
4.分析 %i;r]z-  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 0sq=5 BnO  
67Af} >Q  
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。 QCZ,K" y  
MzBfHt'Rk  
详述案例 e[d7UV[Knn  
n's2/9x  
系统参数 Z"teZ0H  
.=.yZ  
案例的内容和目标 <~IH`  
fvAh?<Ul  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 j1'xp`jgv  
DDqC}l_  
)R [@G.  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 U89]?^|bb  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 r6gt9u:  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 sR7{i  
.y/NudD  
模拟任务:反射光束整形设置 [ZL r:2+z  
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。 y9l#;<b  
7Va#{Y;Zy  
N"q+UCRC  
(%ri#r  
ECmHy@(  
a}[=_vb}K  
规格:像散激光光束 /-G qG)PX  
oo$WD6eCR  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ?~]1Gd  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 >#"jfjDuR  
%x cM_|AyR  
YoSo0fQA  
ims=-1,  
"NX m\`8  
9H !B)  
规格:柱形抛物面反射镜 _{2Fx[m%  
                         L.I}-n  
 有抛物面曲率的圆柱镜 B BApL{  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 $v?! 6:  
 曲率半径等于焦距的两倍 i 5 >J  
-Y 6.?z  
.yFg$|yG  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) \>aa8LOe  
<'o'H  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Z;"4$@|qE  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) :?&WKW  
 离轴角决定了截切区域 7(+OsE  
^J#*n;OQ3A  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) *`S)@'@:(  
, $D&WH  
   Je4.9?Ch  
xsY>{/C  
光束整形装置的光路图 2RSHB o  
u75)>^:I   
N,sqrk]  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 yuy+}]uB@  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。 \^;|S  
cc2oFn  
反射光束整形系统的3D视图 ?-.Ep0/  
cciAMQhA  
C9z~)aL}7  
*k@0:a(>  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 \0^rJ1*  
 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 m|e*Jc  
p.TiTFu/  
详述案例 s:m<(8WRw  
NbdMec  
模拟和结果 ^*?B)D=,  
QE{;M  
结果:3D系统光线扫描分析 _?(hWC"0  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 W:+2We@  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 MLv.v&@S  
o,''f_tRQ|  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd e2Kpx8kWj  
thZ@Br O#  
使用参数耦合来设置系统 yOn2}Z  
@cTZ`bg  
自由参数: h2/1S{/n]  
 反射镜1后y方向的光束半径 1VyO?KX '  
 反射镜2后的光束半径 yK>0[6l  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) RwE*0 T  
 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 \dxW44sM  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 M;vlQ"Yl'  
 /nD0hb  
2cX"#."5p  
c[d'1=Qiy  
h7W%}6Cqkw  
lJ>QTZH!wW  
自由参数: &"j).Ogm4  
 反射镜1后y方向的光束半径 Uc4 L|:  
 反射镜2后的光束半径 @<w9fzi  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) EBL,E:_)  
 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 TLL[F;uZ  
O"s`-OM;n  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 ^s(X VVA  
a a Y Q<  
{ d2f)ra.  
结果:使用GFT+进行光束整形 !K^Z5A_;  
WJh;p: q[  
}A'<?d8   
U37?P7i's  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 #+ lq7HJ1  
<1 1Tqb  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 ,, H$>r_;  
T~~$=vP9  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 vhquHy.qi#  
pv?17(w(\  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: g$-D?~(Z  
*ZSp9g"Z  
/%q9hI   
~ GT\RAj[  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd !9<RWNKV)Y  
<iprPk  
结果:评估光束参数 F+y`4>x  
53+rpU_  
 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。 ]E8<;t)#  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 qpwh #^2  
U#]eN[  
U!I_i*:U  
 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。 Md?bAMnG+}  
 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) 16> >4U:Y  
 jnKM6%z  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 3w:Z4]J  
L9YwOSb.  
光束质量优化 v7OV;e a$  
\NQ)Po@z  
 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。 I7z]%Z  
 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)。
*=If1qZs  
[11-`v0  
结果:光束质量优化 8OtUY}R  
'%RK KA  
 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。 MbFe1U]B  
n]fbV/ x  
/uz5V/i0  
<w2NJ ~M^  
 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。) ~S_IU">E  
`rdfROKv  
P$ dgO  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd pD6g+Taj  
<^'+ ]?  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 eF;1l<<   
g!Yh=kA'N  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 = hX-jP  
'=5_u  
 这意味着参数变化是的正态 /Vd#q)b%T  
|Ge/|;.v`  
p}zk&`  
   m"7R 4O  
 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。 YB1DL ^ :  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 N3c)ce7[  
p{svXP K  
sr@XumT  
bnY8.Lpf|  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 2&K|~~  
<H@!Xw;  
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) {ro!OuA  
ts\>_/  
L?C~ qS2g  
mL5f_Fb+  
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。 -&D6w9w  
,zw=&)W1  
总结 ~(L+4]  
%c/"A8{eb  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 wvaIgy%z  
1.模拟 "v(]"L  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 sH,)e'0  
2.研究 lbU+a$  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 "_@+/Iy.  
3.优化 ZV4' |q  
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。 ',s7h"  
4.分析 vk+%#w  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 t}+c/ C%b=  
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。 /~huTKA}  
XTaWd0Y  
参考文献 *"sDaN0@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). A?k,}~  
9,>Y  
进一步阅读 "(&`muIc  
-?`l<y(  
进一步阅读 #(J}xz;  
 获得入门视频 YgOgYo{E!  
- 介绍光路图 Q09~vFBg  
- 介绍参数运行 = d.W'q|  
 关于案例的文档 @wJa33QT  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens f8jz49C  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 6-}e-H  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing J$*["y`+  
- 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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