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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) A o/vp-e  
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 u=NG6 G  
]\c,BWC@e  
"IjI'c  
简述案例 ~)X[(T{  
?ny =  
系统详情 Dd $qQ  
 光源 [c&B|h=>  
- 强象散VIS激光二极管 <nHkg<O6Y  
 元件 CboLH0Fa  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) Oe!6){OG)  
- 具有高斯振幅调制的光阑 Va<eusl  
 探测器 _M5%V>HO  
- 光线可视化(3D显示) >,5i60Q  
- 波前差探测 L8$1K&!  
- 场分布和相位计算 #bnb ': f  
- 光束参数(M2值,发散角) WI[:-cv  
 模拟/设计 }SfbCa)UO  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 vfc[p ^  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): kdrod[S  
 分析和优化整形光束质量 CXaWgxlK:a  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 vT{kL  
IyUdZ,ba  
系统说明 uGH?N  
!u|Tu4G^  
lFG9=Wf  
模拟和设计结果 PX O!t]*  
Ud%s^A-qS  
LDj<?'  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 RrV>r<Z"Q  
3{7T4p.G  
oF:v JDSS  
/pH(WHT+/H  
b~Y%gC)FR  
总结 ,J =P,](  
|L3X_Me  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 3z =^(Y  
1.模拟  #@.-B,]  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 Ve 3 ;  
2.评估 J >0b1  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 >4i>C  
3.优化 sH#X0fG  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 v syWm.E  
4.分析 3c'#6virz  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 #Z,E><t  
iAn'aW\TF  
对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 UmU:j@ xvg  
8G^<[`.@j  
详述案例 K`%tGVY  
-.I4-6~  
系统参数 (GK pA}~R  
:%r S =f  
案例的内容和目标 w`HI]{hE~N  
R=)55qu  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 </zXA$m  
k%'m*Tf  
2B1xUj ]  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 -%c<IX>z9  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 7N8H)X  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 q ?j|K|%   
"?}uQ5f  
模拟任务:反射光束整形设置 5N7H{vT_  
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。 JgRYljQi2  
|pZUlQbb  
{d3<W N  
0$.m_0H  
-1|iz2^N  
A#h/B+  
规格:像散激光光束 9]'&RyH=#  
R*pC.QiB~  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ]B\H ~Kn  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 cW8\d  
B~o-l*  
Cr ? 4Ngw  
\6I +K"  
{MdLX.ycc)  
^]C&tG0 !  
规格:柱形抛物面反射镜 csZ c|kDI  
                         xG2F!WeF  
 有抛物面曲率的圆柱镜 kJ:F *34e=  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 sq/]wzT:  
 曲率半径等于焦距的两倍 *>8ce-PV  
C#pZw[  
Ucw yxX I  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型)  :nY 2O  
tB7}|jC  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 GwU?wIIj^  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) WCJxu}!  
 离轴角决定了截切区域 vdDludEv  
+UN<Zp7I/  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) qO1tj'U<  
=3 ~/:8o  
   y3u+_KY-  
o]n!(f<(*  
光束整形装置的光路图 >g ll-&;t  
!9iGg*0dx  
Bf`9V713  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 %^. %OCX:  
 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。 UO Ug4  
9Z"+?bv/  
反射光束整形系统的3D视图 Ck =;1sGh  
qml2XJ>  
a&{X!:X  
"t=hzn"~%  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 U5HKRO  
 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)。 -Ng'<7  
U:6W+p8  
详述案例 @wmi 5oExc  
E\ 8  
模拟和结果 Q;Wj?8}  
}ArpPU :]  
结果:3D系统光线扫描分析 2aA`f7  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 Uh1NO&i.W  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 3oZ=k]\  
bAk&~4Y_"  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd kUx&pYv  
3Ug  
使用参数耦合来设置系统 _Us*+ 2(4L  
xda; K~w  
自由参数: i`(^[h ?;  
 反射镜1后y方向的光束半径 ?rX]x8iP  
 反射镜2后的光束半径 /2M.~3gQ  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) %h"z0@+  
 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。 IxR?'  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 _M[,! {C  
n(nBRCG)o  
8N%Bn&   
e(F42;$$  
'V+dBt3  
W,@ If}  
自由参数: RE$`YCs5  
 反射镜1后y方向的光束半径 O#EV5FeF.  
 反射镜2后的光束半径 F(#rQ_z]  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) x_!0.SU  
 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 g$:Xuw1  
5m:i6,4  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 gnp~OVDqfL  
hd V1nS$  
"P@>M)-9Z  
结果:使用GFT+进行光束整形 jeyLL<  
|IoB?^_h  
Awv`)"RAR  
RC|!+ TD  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 x.0p%O=`  
ajRSMcKb7i  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 W>(/ bX  
Cp`j/rF  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 {j{+0V  
;|p$\26S)%  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: -7uwOr  
H2xeP%;$  
F;lI+^}}  
h0oMTiA  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd +`M!D }!  
"1q>At  
结果:评估光束参数 jJ4qR:]  
w:Jrmx  
 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。 LIU} a5  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 N!Qg;(  
BYW^/B Y)  
}),w1/#5u8  
 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。 _ 7PMmW@  
 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) B{oU,3U>  
]nQt>R p_  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd b 6t}{_7  
&|%6|u9  
光束质量优化 RO0>I8c1c  
p_ Fy >j  
 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。 IC{eE  
 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)。
O9'x -A%  
PN~@  
结果:光束质量优化 ! / y!QXj  
7:]Pl=:X  
 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。 6*l^1;U  
zJM S=r  
8,O33qwH  
4$/i%B#ad  
 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) 5!C_X5M  
r[.>P$U  
S1_6C:^k  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ~Au,#7X)  
Z3 ;!l  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 ~9F,%  
r4x3$M c  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。  I~,G  
e& ANp0|W  
 这意味着参数变化是的正态 Z'^U ad6  
y5= `ap  
D2YZ9e   
   3:"]Rn([P  
 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 EzW)'Zzw~  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 ,1q_pep~?%  
e@@?AB$n(  
x?x`oirh  
o01kYBD  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run at!Y3VywG  
Lf:uNl*D  
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) K|C^l;M6  
3QI?[R.  
*5sBhx  
Nf+b" &Zh`  
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。 4fh^[\  
s6 ( z  
总结 ,3v+PIcMM+  
-Z4{;I[Q@  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 /wQL  
1.模拟 @L84>3O  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 $=sXAK9   
2.研究 ;E~4)^  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 6*9}4`  
3.优化 -]C c  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 zJa)*N  
4.分析 [LT^sb  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 nmlPX7!{$  
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。 |eoid?=  
#5sD{:f`  
参考文献 qP!eJ6[Nh"  
[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). Xqp|VbDca  
>idBS  
进一步阅读 Bhp OXqg  
@/ J [t  
进一步阅读 s )voII&  
 获得入门视频 C8@TZ[w  
- 介绍光路图 m,3er*t{  
- 介绍参数运行 /9Q3iV$I]  
 关于案例的文档 d {lP  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens J )BI:]m  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens U]qav,^[  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 8pLBt:  
- 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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