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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) |Whkq/Zg  
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 j(];b+>  
Ui05o7xg~p  
gIcm`5+T  
简述案例 Ugv"A;l  
L=<{tzTc  
系统详情 XV:icY  
 光源 .eG_>2'1  
- 强象散VIS激光二极管 TZ]o6Bb  
 元件 ^.(i!BG'  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) D|X@aUp 8}  
- 具有高斯振幅调制的光阑 uz[5h0c  
 探测器 GB` G(a  
- 光线可视化(3D显示) Ah1fcXED  
- 波前差探测 /\|Behif  
- 场分布和相位计算 (}&O)3)  
- 光束参数(M2值,发散角) [Z{0|NR  
 模拟/设计 0Nq6>^ %  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 +oRwXO3W  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): ,[|4{qli\  
 分析和优化整形光束质量 .lIkJQ3d  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 +N>&b%  
i9quP"<9  
系统说明 A"R5Fd%6pc  
;_?RPWZ;MO  
A]q"+Z]  
模拟和设计结果 9ld'SB:#  
=#sr4T  
I,wgu:}P#  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 >Mc,c(CvU  
N!W2O>VS  
'n0u6hCSb  
$ru()/pI)z  
n0< I  
总结 Hv.n O-c  
MNZD-[  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 :;u?TFCRx  
1.模拟 z 2Rg`1B  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 P *zOt]T  
2.评估 ~ (/OB w  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 Gtpl5gQH  
3.优化 =}7[ypQM`]  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 ew{(@p+$  
4.分析 @O Rk  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 mq*Efb)!  
pv9Z-WCix$  
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。 UA]U_P$c  
KG8Km  
详述案例 `UDB9Ca  
MH=;[| N  
系统参数 *='J>z.]  
)Me$BK>  
案例的内容和目标 O0Sk?uJ <  
hd)HJb-aR  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 )mF;^3  
8 s#2Zv  
{e'V^l.v  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 "g>, X[g  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 -VVJf5/  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 )S 2GPn7  
}Uc)iNU  
模拟任务:反射光束整形设置 c-gpO|4>  
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。 N5\]VCX  
xgV(0H}Mf  
rS^+y{7  
F2 #s^4Ii  
EvQMt0[?EW  
d iGkwKj  
规格:像散激光光束 `rLy7\@;  
k-N` h  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 z.%K5vrO>  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 _Nmc1azS  
C}>Pn{wY9  
F.[E;gOTo  
qkk!1W  
*8?0vkZZ2  
vv% o+r-t  
规格:柱形抛物面反射镜 Sdn4y(&TP  
                         ltH?Ew<]  
 有抛物面曲率的圆柱镜 "g=g' W#  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ] 3UlF'{  
 曲率半径等于焦距的两倍 1o*eu&@  
[9U: :  
r{pbUk  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) xYUC|c1Q9  
%SHgXd#X  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Nxd<#p  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) ;:5Ahfo \  
 离轴角决定了截切区域 XD=p:Ezh  
n?=d)[]  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) f;7I{Z\<  
"0ZBPp1q  
   (o5^@aDr  
 ^D.u   
光束整形装置的光路图 Z\9DtvV  
4ZAnq{nR4  
>q !:*  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 44p?x8(z*  
 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。 C@#KZ`c)  
g&<3Kl  
反射光束整形系统的3D视图 z:7 i@m  
UcI;(Va  
oM~;du  
gXP)YN  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 cU  
 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)。 $ 9%UAqk9  
eF%>5  
详述案例 @3_[NI%  
{/E_l  
模拟和结果 io1hUZ  
#i1z&b#@  
结果:3D系统光线扫描分析 zZ*\v  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 X]T&kdQ6q  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 N" =$S|Gs  
[42EqVR  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 8v V<A*`  
]aN]Ha  
使用参数耦合来设置系统 xb22 :  
abgA Ug)  
自由参数: cq#=Vb  
 反射镜1后y方向的光束半径 1>IA9]D7  
 反射镜2后的光束半径 $ctpg9 7  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 7(W"NF{r  
 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 |JVp(Kx  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 ];63QJU  
A]_5O8<buW  
l?Qbwv}  
%%h0 H[5*  
NB=!1;^J  
!bGMVw6_  
自由参数: 4u}jkd$]*  
 反射镜1后y方向的光束半径  aWTvowA  
 反射镜2后的光束半径 PC55A1(T  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) C=zc6C,  
 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。 +F@ZVMp  
:)g}x&A^$  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 \>N"{T  
mi& mQQ  
tB/'3#o  
结果:使用GFT+进行光束整形 2[QyH'"^E  
NS3qNj  
^9`S`Bhp  
/4wPMAlb  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 d: {#Dk#  
}h=}!R'm   
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 kBr?Q  
gH<A.5 xy  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 ]rM HO  
h4geoC_W2  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: ^"!)p2=  
^w6~?'}  
<F6LC_  
5ji#rIAhxh  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd {O"N2W  
MNWuw;:v  
结果:评估光束参数 =}wqo6Bn|  
PGNH<E)  
 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。 < s1  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 ]GH_;  
yDmx)^En  
cj@ar^=`K  
 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。 .\}nDT  
 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) GS&iSjw  
*)xjMTJ%  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 7j~}M(s"  
gq~6 jf>  
光束质量优化 rfH Az  
I|/\L|vo  
 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。 @0&KM|+  
 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)。
>^ TcO  
V PaW-o  
结果:光束质量优化 uB>OS 1=  
7L !$hk  
 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 >))K%\p   
F*J@OY8i  
y|2y! &o,!  
{No Y`j5S  
 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) E9~}%&  
X|Rw;FY  
MR}h}JEx0  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd %pBc]n@_  
pWOK~=t  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 j7sRmQCl  
V8-*dE  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 +XoY@|Djd  
TS49{^d$  
 这意味着参数变化是的正态 k r ga!,I  
6O| rI>D  
Y"UB\_=  
   [/GCy0jk  
 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。 ;nbbKQ]u  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 =l+~}/7'Z  
j:P(,M[  
[|tlTk   
YF6 8 Ax]  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run <}('w/  
"pTU&He  
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) v!6IH  
 kAnK1W>  
]%eyrbU  
:7[4wQDt4  
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。 ?G<.W[3  
7QM1E(cMg  
总结 5\.w\  
/y[zOT6  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 z#Db~  
1.模拟 q"$C)o  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 nl+8C}=u  
2.研究 UoOxGo  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 &@fW6},iW  
3.优化 l dw!G/  
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。 l9vJ]   
4.分析 ,&iZ*6=X?0  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 H{ I,m-  
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。 ?L+|b5RS  
sj8lvIY5  
参考文献 O~4Q:#^c  
[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). :b"&Rc&s.  
NN] 8T  
进一步阅读 vE C#W43l  
OCv,EZ  
进一步阅读 8T}Dn\f  
 获得入门视频 fir#5,*q|  
- 介绍光路图 Xz\X 8I  
- 介绍参数运行 Rgb&EnVW  
 关于案例的文档 S0H|:J  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 9O|k|FD  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens e`bP=7`0  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing ()(^B}VK  
- 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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