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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) >ca`0gu  
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 ,x[~|J!  
$JK,9G[Vu  
2ryg3% +O  
简述案例 jnFN{(VH  
G{a_\'7  
系统详情 mJVru0  
 光源 pWoeF=+y]W  
- 强象散VIS激光二极管 `Q>qmf_Fi  
 元件 m='_ O+ $  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) i$!K{H1{9  
- 具有高斯振幅调制的光阑 6D*x5L-1o  
 探测器 Fj&8wZ)v)  
- 光线可视化(3D显示) ?,eq86-M  
- 波前差探测 ,!^;<UR:  
- 场分布和相位计算 S'IQbHz*  
- 光束参数(M2值,发散角) }ol<DV  
 模拟/设计 ^|cax| >  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 sA,2gbW  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing):  I$fm"N  
 分析和优化整形光束质量 kNrd=s,-]D  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 `;s#/`c|/  
 S^5Qhv  
系统说明 #<-%%  
S\2@~*{-8  
j>hBNz  
模拟和设计结果 AnBD~h h  
Nqbm,s  
9*[!ux7h  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 S$GWY^5}{  
Xh*Nu HH  
/jn0Xh  
u$(XZ;Jg  
0T:U(5Y9  
总结 <x:^w'V_b  
Lhxg5cd  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 )6U^!95  
1.模拟 9Om3<der  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ^^[A\'  
2.评估 7<93n`byM  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ZBc8 ^QZ  
3.优化 w.-J2%J   
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。 TJ0;xn6o  
4.分析 Ot~buf'|  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 6{[ uCxxl  
~HUO$*U4<  
对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 wQOIUvd  
rJCu6  
详述案例 L\t?^u  
9f3rMPVh(  
系统参数 >ti)m >f  
di~ [Ivw  
案例的内容和目标 )H*BTfmt  
e,@5`aYHM@  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 D.x&N~-  
j =PM]  
jG/@kh*m  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ua%j}%G(  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 r]bG,?|  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 rCdTn+O2  
?#/~ BZR!  
模拟任务:反射光束整形设置 f2i9UZ$=e!  
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。 _qSVYVJ u  
6oq/\D$6~  
##yH*{/&  
3 E!F8GZ  
-b'/}zz  
:eR\0cn  
规格:像散激光光束 En YEAjX  
srd\Mf_Ej  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 Mdy4H[Odq  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 rTA#4.*&  
BVxk}#d  
l }]"X@&G  
S1_):JvV  
1 o\COnt  
X;yThb` iI  
规格:柱形抛物面反射镜 +qM2&M  
                         $`"$ZI6[  
 有抛物面曲率的圆柱镜 &B} ,xcNO  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 Qa,$_ ,E  
 曲率半径等于焦距的两倍 ;b0;66C8|  
!+3nlG4cw  
/*m6-DC  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) 94u~:'t>V  
D<Z]kR(  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 W$Z8AZ{E  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) 18ON`j  
 离轴角决定了截切区域 Md>9Daa~  
Kq}-)  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) )W!\D/C+  
@6{F4  
   UkM#uKr:  
fWl #CI\]  
光束整形装置的光路图 Kd7Lpw1u]  
Lv:;}  
} v3w-  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 \NQ[w7  
 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。 eVGW4b  
c=4z+_K  
反射光束整形系统的3D视图 <ua! ]~  
NdM \RD_R  
ZtX \E+mC  
(iY2d_FQ[  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 OA&r8WK3  
 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)。 '$q3Ze  
s mqUFo  
详述案例 #[sJKW  
$~'G<YYF4  
模拟和结果 dG}*M25  
fY 10a_@x  
结果:3D系统光线扫描分析 cs)R8vuB)z  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 nSq$,tk(  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 4\14HcTcK  
vW5>{  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd gyOAvx  
R{{?wr6b$  
使用参数耦合来设置系统 Xb1is\JB  
6Bn}W ?  
自由参数: zz-X5PFn  
 反射镜1后y方向的光束半径 ) {4$oXQ  
 反射镜2后的光束半径 r ['zp=9  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) UW-`k1  
 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 hGo/Ve+@  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 X92I==-w  
~?KbpB|  
b:x*Hjf  
\d QRQL{LL  
lk4$c1ao2@  
h`Xl~=  
自由参数: JgcMk]|'  
 反射镜1后y方向的光束半径 +"PME1  
 反射镜2后的光束半径 *N%)+-   
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 1c:/c|shQ_  
 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。 2\G[U#~bi  
L}>ts(!q&  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 "_ON0._(/  
0t)5KO  
j]6YLM@5$  
结果:使用GFT+进行光束整形 z<8WN[fB  
ky[^uQ>0  
! Y'~?BI  
h{CyYsQ  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 l/56;f\IA  
jgT *=/GH2  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 2z9N/SyN  
+e&Q<q!,q  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 6#kK  
v8K4u)  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: NeniQeR   
^P owL:  
q (}#{OO  
3s_$.  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd cfPQcB>A  
r\m2Oo)]  
结果:评估光束参数 HLl"=m1/>  
/(Ryh6M  
 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 # 0/,teJ k  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 5>rjL ;  
c~ Q 5A  
BU=Ta$#BZ  
 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。 -m Sf`1l0  
 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) ]wV_xZ)l^A  
u{|^5%)  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd USbFUHdDc  
M/jdMfU  
光束质量优化 &5 R-bYGW  
-_BjzA|  
 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。 w/Wd^+I In  
 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)。
6?= ^8  
BzI(  
结果:光束质量优化 T0K*!j}O  
VPOp#;"%  
 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。 64f6D"."  
4m6%HV8{}[  
P.O/ZW>g  
N-}|!pqb  
 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。) Ve t<,;Te  
':|?M B  
J24H}^~na  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd (0zYS_m A  
hr/|Fn+kA  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 C<N7zMwT  
tMr$N[@r  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 NucLf6  
]0 ;,M  
 这意味着参数变化是的正态 LgA> ,.  
$"`e^J9!!  
D?r% Y  
   PpR eqmo  
 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 ~{!,ZnO*  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 ,~7+r#q7  
BmCBC,j<v>  
o^<W3Z  
~JohcU}d  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run k:CSH{s5{  
qnf\K}   
第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) IYB;X  
<u2iXH5w  
j9 &0/ ~/  
,pVq/1  
由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 l6HT}x7OiH  
aN~x3G  
总结 n16TQe"8  
i|G /x  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 YPS,[F'B.  
1.模拟 \`WAG>'l5  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 1DM$FG_Z-  
2.研究 <W88;d33r=  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 u&$1XZ!es  
3.优化 FSS~E [(DL  
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。 E1Rz<&L  
4.分析 t)b /c:ql  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 " {Nw K  
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。 mbZ g2TTy  
l[{Ci|4  
参考文献 t: qPW<wc  
[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). I}1<epd ,  
60%EmX ;  
进一步阅读 a1A3uP  
0p!N'7N  
进一步阅读 <^B!.zQ  
 获得入门视频 ?+y# t?  
- 介绍光路图 dF0:'y  
- 介绍参数运行 jX 6+~  
 关于案例的文档 &}vc^io  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens cUZ^,)8 Z  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 0vdnM8N2  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing gj1l9>f>]a  
- 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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