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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) ]~?k%Mpw  
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 m6 hA,li  
W:(:hT6`j9  
pal))e! B  
简述案例 N#7] xL  
eoEb\zJ  
系统详情 C| Mh<,~ E  
 光源 f@LUp^Z/v  
- 强象散VIS激光二极管 ^{6Y7T]  
 元件 >=U $s@  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜)  Xid>8  
- 具有高斯振幅调制的光阑 /4_}wi\  
 探测器 ljiq+tT  
- 光线可视化(3D显示) <ya'L&  
- 波前差探测 H5&>Eny  
- 场分布和相位计算 7[D0n7B@  
- 光束参数(M2值,发散角) tH_# q"@)  
 模拟/设计 44%H? ,d  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算  u`bWn  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): GK&yP%Z3  
 分析和优化整形光束质量 {q}: w{x9u  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 Ku&(+e  
{_q2kk  
系统说明 uXhp+q\  
e\yj>tQJg  
U">OdoZ,E+  
模拟和设计结果 xje{ kx#  
aNq Vs|H  
Lvp/} /H/  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 r#Pd@SV  
Ce:R p?  
F)gL=6h  
iGhapD  
L1F){8[  
总结 E_H1X'|qS4  
qS2%U?S7  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ?0?'  
1.模拟 c<H4rB  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 I7uYsjh@u  
2.评估 ko5\*!|:lj  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 #e|eWi>  
3.优化 gIRCJ=e[b  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 +\W"n_PPy  
4.分析 26Yg?:kP  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 Fj]S8wI  
<!+o8z]  
对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 JHQ8o5bEQp  
IK W!P1  
详述案例 TWs|lhC7!  
sRMzU  
系统参数 ,h>w%  
3% P?1s  
案例的内容和目标 ALw uw^+  
V`H#|8\i  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 /tUl(Fp J`  
l,X;<&-[  
r]E$uq bR  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 q@\_q!  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 p/:5 bvA  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 |.S;z"v![  
ex| kD*=  
模拟任务:反射光束整形设置 }UO,R~q~  
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。 /F4:1 }  
JxvwquI  
*/\.-L{h  
:J~j*_hZ  
~FsUK;?  
3Yf$WE8#l  
规格:像散激光光束 yp4G"\hN9  
;?[~]"  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 =&pbh  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 g|zK%tR_P  
M ?3N  
,qfa,O  
7 dzE"m  
VsmL#@E  
U;nC)'~YW9  
规格:柱形抛物面反射镜 {L=[1  
                         ~3%3{a a  
 有抛物面曲率的圆柱镜 3(&.[o Z  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 xL BG}C  
 曲率半径等于焦距的两倍 %b?Pasf.  
}ot _k-  
9?:S:Sq  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) vq s~a7E-P  
gP<_DEd^`  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 s6D-?G*u%8  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型)  n=&c5!  
 离轴角决定了截切区域 Gw./qu-W  
Z])_E 6.  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) :9#`| #uh  
v<SEGv-  
   k$c j|-<  
e ?YbG.(E9  
光束整形装置的光路图 X2`>@GR/>  
P&GZe/6Y  
-b$OHFL  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 AAW7@\q.  
 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。 |FFC8R%@]u  
d.AjH9 jg  
反射光束整形系统的3D视图 W'jXIO  
E1C_d'  
Wa(S20y F  
CwvNxH#LVu  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Fjzk;o  
 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)。 FT;JYkO  
k~#|8eLv  
详述案例 %Let AR  
3~Ln:4[6ID  
模拟和结果 `k&K"jA7$  
RuZ;hnE&  
结果:3D系统光线扫描分析 8:% R |b  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 <<6w9wNon  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 0I((UA/7Zs  
BcLt95;.\  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd sQZ8<DpB  
\DqxS=o;  
使用参数耦合来设置系统 zRu`[b3u<  
|esjhf}H>v  
自由参数: [QbXj0en$  
 反射镜1后y方向的光束半径 >n~p1:$  
 反射镜2后的光束半径 P;%QA+%7  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) v|@n8ED|@K  
 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。 rbPs~C-[  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 pXv[]v  
j\f$r,4  
N| Pm|w*?  
Q ~JKKq  
1`lFF_stkP  
fR4l4 GU?)  
自由参数: 9M]"%E!s  
 反射镜1后y方向的光束半径 suFOc  
 反射镜2后的光束半径 3|Sy'J0'K  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) #<Nvy9  
 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 i@5%d!J  
%uVJL z  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 ==1/N{{R  
I&8SP$S>J  
*\KvcRMGUa  
结果:使用GFT+进行光束整形 1 \*B.  
]t)M}^w  
-!,]Y10  
\.P}`Bpa  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 !9xANSb  
\Z20fh2  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 Gr$*t,ZW  
O6,"#BX  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 n/oipiYx  
=veOVv[Q&/  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: 9C}aX}`  
:$i:8lz  
eD{ @0&   
&17,]#3  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 6'Yn|A  
<hZ}34?]i2  
结果:评估光束参数 c4>sE[]  
}<ONxg6Kb  
 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。 D4Y!,7WEVt  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 LQ\ ELJj  
_:X|R#d  
A?D"j7JD=L  
 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。 7Sz'vyiz  
 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)  zc/%1  
e9@fQ  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd YD46Z~$  
cbCE $  
光束质量优化 M=[q+A  
`x$}~rP&)!  
 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 @y0bU*v7  
 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
0uIV6LI  
HS6Imi  
结果:光束质量优化 4ZJT[zi  
SXBQ  
 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 3H'nRK},  
c > mu)('U  
_A,-[*OKI  
vbA7I<;  
 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) Stw+Dm\!  
RUk<=! U  
`@$"L/AJ  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 85|95P.<  
$}^\=p}X  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 F7Dc!JNa  
P10p<@?  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 Dl zmAN  
8 5%Pq:E  
 这意味着参数变化是的正态 \_gp50(3  
iijd $Tv  
~*mOt 7G  
   k?["F%)I  
 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 HTUYvU*-  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 n=G>y7b  
RUS7Z~5  
9uw,-0*5  
mI7rx`4H  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run Fp5NRM*-!  
Q"OV>klk  
第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) q: Bt]2x  
MJ>Qq[0  
P34LV+e  
Ej+]^t$\  
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。 J-, H6u  
xH"W}-#[  
总结 'HQ7 |Je  
piYws<Q  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 kMl@v`  
1.模拟 +EST58  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ' 1P=^  
2.研究 ^A *]&%(h  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 t,=@hs hN  
3.优化 wR Xn9  
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。 <+? Y   
4.分析 Jt-X mGULB  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 +}c|O+6g  
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。 :]B% >*;}  
r^w\9a_  
参考文献 ']d!?>C@o  
[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). +  ZR(  
>/TB_ykb  
进一步阅读 L.09\1?.n  
|D;_:x9  
进一步阅读 M^j<J0(O  
 获得入门视频 tC2 )j7@  
- 介绍光路图 !j!Z%]7  
- 介绍参数运行 %_B:EMPd  
 关于案例的文档 '2|1%NSW9  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens {BFT  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens <a8#0ojm  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing hmK8j l<6  
- 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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