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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) xKE=$SV(  
二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 C _he=SV  
hkl0N%[  
ahg P"Qz  
简述案例 Io<T'K  
e~ OrZhJ=_  
系统详情 ]R\L~Kr  
 光源 F-ZTy"z  
- 强象散VIS激光二极管 ffk >IOH  
 元件 {wM<i  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜)  GpTZp#~;  
- 具有高斯振幅调制的光阑 vmNo~clt\  
 探测器 }JtcAuQt  
- 光线可视化(3D显示) n eu<zSS  
- 波前差探测 4I&(>9 @z<  
- 场分布和相位计算 JZ`u?ZaJ/s  
- 光束参数(M2值,发散角) 1.@{5f3T  
 模拟/设计 sHPAr}14  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 8Kl&_-l{b  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): F^{31iU~CX  
 分析和优化整形光束质量 Y.I~.66s  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 4 ;_g9]  
nW]CA~  
系统说明 6, j60`f)  
7l-MV n_8  
MPnMLUB$\  
模拟和设计结果 > A@yF?  
<= _!8A  
:4[>]&:u3  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 xKBi".wA  
Kn$t_7AF^  
eb}XooX  
%cDGs^lgA  
oMAUR "  
总结 E8PwA.  
i{N?Y0YQs0  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 au19Q*r9  
1.模拟 `0%;Gz%}  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ';\norx;  
2.评估 %x,HQNRDU  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 g:~q&b[q6  
3.优化 c]1AM)xo  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 dY. X/f  
4.分析 2V;{@k  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 P=}dR&gk'  
\kV|S=~@  
对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。  7Oe$Ou  
}s?w-u+(c6  
详述案例 lAG@nh^  
*GYLj[  
系统参数 Muq~p~m}  
?{ \7th37  
案例的内容和目标 f uU"  
pRlScD_};  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 z|],s]F>G  
9a@S^B>  
^GYVRD  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 4`o0?_.'  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 <i ]-.>&J  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 1Hhr6T^)  
)(.g~Q:  
模拟任务:反射光束整形设置 L Y4bn)Qf  
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。 cGo_qR/B(>  
-#;ZZ \fdj  
<#"_Qgdix  
h8M_Uk  
HD{u#~8{  
Z$c&Y>@)  
规格:像散激光光束 7s%1?$B  
LZG(T$dI  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 `=V1w4J  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 [vuikJP>1k  
f6SXXkO+  
/W f.Gt9[  
\I6F;G6  
\Js*>xA  
Z= -fL  
规格:柱形抛物面反射镜 d j9i*#F  
                         FmF[S&gFRs  
 有抛物面曲率的圆柱镜 p]~PyzG!  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 c*axw%Us  
 曲率半径等于焦距的两倍 "g"%7jK  
Z s| *+[  
F#Pn]  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) GU1cMe  
xrY >Or  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Ed;!A(64r  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) <o|k'Y(-  
 离轴角决定了截切区域 E*tT^x)  
MUtM^uY  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) ? YIe<  
pE+:tMH;  
   c;t3I},  
Kx[+$Qt  
光束整形装置的光路图 qKeR}&b  
sGiK S,.K  
;sUvY*Bcm  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 ,G?Kb#  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。 o9M r7  
,0nrSJED  
反射光束整形系统的3D视图 m4~~q[t  
JX>`N5s  
x}` )'a[  
}43qpJe8U  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 C[ KMaB  
 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 v3n T@r a'  
 fOsvOC  
详述案例 j+lcj&V#  
/{[tU-}qJ  
模拟和结果 (bNoe(<qU  
j g EYlZ  
结果:3D系统光线扫描分析 NYxL7:9  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 +uNMyVH  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 Z;R/!Py.  
A3q#,%  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd m^RO*n.  
*cX i*7|=  
使用参数耦合来设置系统 QR-pji y  
Ya<V@qd  
自由参数: a>Aq/=  
 反射镜1后y方向的光束半径 &(o&Y  
 反射镜2后的光束半径 |Z o36@s  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) I&^hG\D  
 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 R:^jQ'1  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 [oXr6M:  
YoQQ ,  
W=HHTvK9Hh  
u?z,Vs"  
VS~+W=5}  
LH@Kn?R6  
自由参数: ]_L;AD  
 反射镜1后y方向的光束半径 NSzTl-eS  
 反射镜2后的光束半径 F,mStw:  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) HYJEz2RF  
 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 p~(STHDe#  
MQ'=qR  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 .%0a  
c4Q%MRR  
1p-<F3;  
结果:使用GFT+进行光束整形  Lo)T  
G ,`]2'(@  
e+ m(g  
7D~~<45ct  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 Smh=Q4,W  
bXM&VW?OP  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 ! bwy/A  
XZTH[#MqeI  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 NUuIhB+  
V72?E%d0  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: ^%U`|GBZp  
vZqW,GDfXo  
=|c7#GaiF  
(K ]wk9a  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd gla'urb[i|  
ij}{H#0S-  
结果:评估光束参数 VEL!-e^X&  
Hr}\-$  
 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。 6OtNWbB  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 a]8W32  
Q} -YD.bx3  
+mO/9m  
 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。 + :b"0pu-H  
 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) +R 8dy  
+ =U9<8  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd *oh,Va  
&TN.6Hm3  
光束质量优化 SEM- t   
!<h-2YF<M  
 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。 4~d:@Gmk&  
 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)。
GN+,9  
(;N#Gqb6l  
结果:光束质量优化 1l.HQ IS  
++|e z{  
 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。 >G vd?r  
|k: FNu]C  
_~y-?(46K  
/1+jQS  
 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。) c48I-{?  
YTfi g{a  
C5X!H_p  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd T!1XL7  
J8&0l&~ 6  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 PaDm"+H@  
E6?0/"  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 BMn`t@!x  
a,xy3 8T<  
 这意味着参数变化是的正态 8&7zV:=  
+a+DiD>./  
FlbM(ofY  
   DeQ ZDY //  
 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。 $A98h -*x  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 :4Y 5  
Saks~m7,  
<II>io ;  
Ma ]*Pled  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run :;&3"-  
U@}P]'`'f  
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) {CgF{7`  
}%3i8e  
|tFg9RT  
:M@#.  
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。 Ye/Y<Ij  
U@LIw6B!KL  
总结 '*K%\]  
;a(7%  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 {t('`z  
1.模拟 VexQ ]  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ?oU5H  
2.研究 8HWEObRY  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 -[z1r)RZ  
3.优化 o"qG'\x  
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。 07vzVsQ}p  
4.分析 uA\KbA.c;U  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 TTSq}sb}  
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。 tG 0 &0`  
$KsB'BZy  
参考文献 e#ne5   
[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). 58PL@H~@0  
jq(rnbV  
进一步阅读 rxeOT# N}  
d.y-R#F_]  
进一步阅读 YcM 0A~<  
 获得入门视频 ~mT([V  
- 介绍光路图 oK2jPP  
- 介绍参数运行 2'}/aL|G  
 关于案例的文档 fLuOxYQbf  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 4`:Eiik&p  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens I5W#8g!{  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing JiX-t\V~  
- 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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