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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  
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 xo_Es?  
rru `% ~'O  
=zW.~(c{  
简述案例 o%A@ OY  
WAcQRa~C  
系统详情  kQm\;[R  
 光源 L pdp'9>I  
- 强象散VIS激光二极管 "%Eyb\V!  
 元件 #r)c@?T@j  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) #| Et9  
- 具有高斯振幅调制的光阑 $ p{Q]|ww  
 探测器 j^~WAWbFh  
- 光线可视化(3D显示) C"ZCX6p+$  
- 波前差探测 7nHlDPps)  
- 场分布和相位计算 C '}8  
- 光束参数(M2值,发散角) R:v`\  
 模拟/设计 KArnNmJ9  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 QJ s /0iw  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): qN_jsJ  
 分析和优化整形光束质量 hU `H\LE  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 RyxIJJui  
`+QrgtcEy4  
系统说明 k^.9;FmQ  
u]ZCYJ>  
c;bp[ Y3R  
模拟和设计结果 8P'>%G<m  
*(x`cf;k  
>g6:{-b^a  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 iffRGnN^e  
_A \c 6#  
p]#%e0  
@&2bLJJ+  
T;}pMRd%  
总结 4jrY3gyBX  
YXa^jFp  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 *, o)`  
1.模拟 8<6;X7<-  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 7@rrAs-"Z  
2.评估 Jh[fFg]  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 avk0pY(n  
3.优化  $3%EKi  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 6 9,;=  
4.分析 -`B|$ W  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 )fR'1_  
>9|/sH@W  
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。 dd>stp   
z/N~HSh!d  
详述案例 ( _E<?  
1< ;<?  
系统参数 6546"sU  
T.aY {Y  
案例的内容和目标 xq.,7#3  
0AFjO)  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 p}}o#a~V),  
kL,AY-Iu{@  
Jpws1~  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 {cKKTDN  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 !5Kv9P79  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 o|AV2FM)  
$ T.c>13  
模拟任务:反射光束整形设置 Yyby 1  
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。 N'!a{rF  
 -}{c;pT  
_bn*B$  
{(A Ys*5  
/e6\F7  
y}5H<ZcXA  
规格:像散激光光束 z'MOuz~Y  
vVmoV0kGt  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 y'pAhdF  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 [L"(flY(E  
sV'(y>PP%  
j}'spKxu  
jX!,xS%(  
Uo<d]4p $  
G0|j3y9$  
规格:柱形抛物面反射镜 KZ pqbI Z  
                         \SS1-UbL  
 有抛物面曲率的圆柱镜 ! &Vp5]c  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 CYmwT>P+*4  
 曲率半径等于焦距的两倍 r%JJ5Al.S  
]i)m   
#)2'I`_E  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) ^i2W=A'P  
a1_7plg  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 {Tl5,CAz  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) %vDN{%h8  
 离轴角决定了截切区域 )Y+n4UL3NK  
8TZNvN4u  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) (\>3FwFHW|  
Jc"xH~,  
   <T+)~&g$  
\L-o>O  
光束整形装置的光路图 <<W{nSm#  
|?hNl2m  
O{uc  h  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 d:.S]OI0  
 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。 j{U?kW{o  
0qqk:h  
反射光束整形系统的3D视图 qI"Xh" c?  
<spVUp  
$DeHo"mg7m  
J wL}|o6  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 //n$#c _}u  
 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)。 *JDQaWzBd  
gE]6]L  
详述案例 > L_kSC?  
c! vtQ<h-  
模拟和结果 _o/LFLq  
HjAhz  
结果:3D系统光线扫描分析 DJvmwFx  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 mZQW>A]iE  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 N"1o> !  
S=B?bD_,c  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ul$k xc=N  
$L7Z_JD5  
使用参数耦合来设置系统 4u- mE  
~(OG3`W!  
自由参数: mQdF+b1o  
 反射镜1后y方向的光束半径 S-l<+O1fy  
 反射镜2后的光束半径 d$qivct  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) =jXBF.  
 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。 :}'5'oVG  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 p5`iq~e9  
LH/lnrN  
ovm109fTx  
0M=A,`qk  
j5\z7  
D$@5$./  
自由参数: .aS`l~6  
 反射镜1后y方向的光束半径 ;Z^\$v9?  
 反射镜2后的光束半径 \PReQ|[ah  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) czNi)4x  
 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。  ac  
LCBP9Rftvd  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 lTb4quf8I  
U'~M(9uv:  
_L?MYkD  
结果:使用GFT+进行光束整形 y7pwYRY  
@^P<(%p  
?APzb4f^W  
6z`l}<q  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 %Q,6sH#  
R !&9RvNw  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 |wbXu:  
xqm-m  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 0O>T{<  
"&Q sv-9t  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: 7R5m|h`M  
r2ZSkP.  
F8xz^UQO  
gq%U5J"x;J  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ;|qbz]t2(  
l4Au{%j\  
结果:评估光束参数 M./1.k&@  
Ei>.eXUD5  
 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。 CFK{.{d]B  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 _oz1'}=  
/]U),LbN  
%f)%FN . S  
 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。 %CoO-1@C  
 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) GVT| fE  
pyUzHF0  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd xAwP  
b=@H5XTZyK  
光束质量优化 L"8Z5VHA&&  
%Ev)Hk  
 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。 2CMWJi  
 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)。
C6"{-{H  
inHlL  
结果:光束质量优化 (usFT_  
xs 1V?0  
 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。 SA{noM  
t $m:  
Vp$<@Y  
}A}cq!I^  
 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。) ^O.` P  
VwN=AFk Oj  
(N6=+dNY  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd |zbM$37 ?k  
x)R1aq  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 Prc (  
{K N7Y"AI  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 Skl:~'W.&|  
V= g u'~  
 这意味着参数变化是的正态 ,UYe OM2Ao  
f4O}WU}l{s  
#.<Dq8u  
   :jAsm[  
 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 HQZJK82  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 (%j V [Q  
qXprD.; }  
x.9[c m-!  
|Ed?s  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run xsIfR3Ze9  
i"0*)$ h W  
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) WN $KS"b6}  
Z*R~dHr   
?7#{#sj  
%x./>-[t  
由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 C).+h7{nd  
PYwGGB-  
总结 "#:h#uRUb  
_b`/QSL  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ef@F!s_fI  
1.模拟 aECpe'!m4  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ol1J1Zg  
2.研究 >guX,hx^  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 \'r;1W  
3.优化 D W>O]\I  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 |['SiO$)  
4.分析 \j<aFOT(  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 bN&DotG  
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。 Qe0?n  
Mr*CJgy  
参考文献 }Ui)xi:8  
[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). )xL_jSyh  
)8taMC:H^  
进一步阅读 9e7):ZupO  
_&N:%;9uD  
进一步阅读 _} j6Pw'  
 获得入门视频 </B:Zjn  
- 介绍光路图 5s%FHa  
- 介绍参数运行 e< G[!m  
 关于案例的文档 i!G<sfL  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ~<}?pDA}~  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens m2l0`l~T8  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing <O41 M\,  
- 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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