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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) fL^$G;_?3  
二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 0W_olnZ  
^}w@&Bje  
gGaA;YW1  
简述案例 CpE LLA<  
dd+hX$,  
系统详情 lfJvN  
 光源 aru;yR  
- 强象散VIS激光二极管 &i(\g7%U  
 元件 ?\Bm>p% +  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) H=/;  
- 具有高斯振幅调制的光阑 u=6LPwiI  
 探测器 Cs!z3QU  
- 光线可视化(3D显示) 7 @W}>gnf  
- 波前差探测 2_/H,  
- 场分布和相位计算 +YJpVxYmZ  
- 光束参数(M2值,发散角) MyZ5~jnr\  
 模拟/设计 < `Xt?K  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 >P9|?:c  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): /f*QxNZ,p  
 分析和优化整形光束质量 }5Zmc6S{  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ts:YJAu+F  
qWdob>u  
系统说明 3(oB[9]s  
|j2$G~B6  
E%b*MU  
模拟和设计结果 nk*T x  
]lqe,>  
MaS-*;BY,  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 <eh<4_<qF  
)KdEl9o  
 "d; T1  
qNuBK6E#4  
z%q)}$O  
总结 d)WGI RUx  
S'_2o?fs  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 !hugn6  
1.模拟 H3xMoSs  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 3j6Am{9  
2.评估 "$I8EW/1  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ,%T sfB  
3.优化 <~bvf A=  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 ii5dTimRJ  
4.分析 l9Av@|  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 @hF$qevX  
~]Weyb[ N  
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。 PJ))p6 9  
Ods~tM  
详述案例 Krd0Gc~\|  
3Viz0I<%  
系统参数 x+bC\,q  
8zO;=R A7%  
案例的内容和目标 Tr.u'b(  
O~OM.:al&  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 `]I p`_{  
7P bwCRg  
STL+tLJ  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Rd;^ fBx  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 gl~9|$ivj>  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 Eh+m|A  
zXW)v/ ZD  
模拟任务:反射光束整形设置 `D?  &)Y  
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。 gX~lYdA  
~,Kx"VK  
V` 4/oM`  
&9ERlZ(A  
2AXf'IOqE  
blKF78  
规格:像散激光光束 ] 1s6=  
WS.lDMYE7  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 cKB1o0JsYJ  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ?/fC"MJq?  
V X.9mt  
g!;a5p6  
Oh3A?!y#  
T2_b5j3i  
owzcc-g  
规格:柱形抛物面反射镜 iBk1QRdn  
                         @6Z6@Pq(xQ  
 有抛物面曲率的圆柱镜 IOY<'t+  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 (z:qj/|  
 曲率半径等于焦距的两倍 GE*%I1?]  
 ^+wA,r.  
+W"DN5UV  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) :{ Lihe~\  
-VvN1G6.x?  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 i|xC#hV  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) ub]s>aqy   
 离轴角决定了截切区域 0*,] `A=  
GK[9Cm"v  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) t]hfq~Ft  
+t8#rT ^B  
   ~Kt2g\BSok  
#'97mg  
光束整形装置的光路图 ZU;nXqjc  
xk7VuS *  
L=gG23U&  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 ! u9LZ  
 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。 "}2I0tM  
eyy%2> b  
反射光束整形系统的3D视图 L]E.TvM1*  
K.Y.K$NjP{  
S;tvt/\!Z  
eMtQa;Lc9o  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 x$z>.4  
 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)。 ZyV^d3F@$  
+o]J0Gu  
详述案例 P}w0=  
x b!&'cw  
模拟和结果 23X-h#w  
 Q!(qb  
结果:3D系统光线扫描分析 B D [<>Wm  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 |(=b  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 #&Rx?V  
[*g'Y;W  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd H-3*},9  
yJdkDVxYr  
使用参数耦合来设置系统 \eXuNv_  
h#Z~x  
自由参数: i^)JxEPr w  
 反射镜1后y方向的光束半径 =3=8oFx8  
 反射镜2后的光束半径 >VJ"e`  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) ,U>G$G^  
 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 1aezlDc*  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 7>3+]njw  
^@<Ia-x  
SmV}Wf  
(8(P12l  
'M fVZho{  
HE-ErEtGB  
自由参数: 'OU`$K7n  
 反射镜1后y方向的光束半径 *JO%.QNg  
 反射镜2后的光束半径 F#z1 sl'  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) n`D-?]*  
 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。 e"ClG/M_XS  
])#?rRw  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 rnC<(f22  
7!~)a  
1cV0TUrz  
结果:使用GFT+进行光束整形 b@B\2BT  
zANsv9R~  
s qO$ka{  
ZeH=]G4Zv7  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 T/tCX[}  
I=;=;-  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 B-wF1! Jv  
vb$i00?  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 "YN6o_*]  
#KDN  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: Ci?RuZ"  
,#hNHFa'JH  
< fYcON  
foe)_  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd n66b(6"mO2  
[jTZxH<  
结果:评估光束参数 ooj^Z%9P  
E0eZal],  
 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。 EE*FvI`  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 >[g.8'hI  
CIQ9dx7>  
<o@__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。 W,.Exh  
 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) x) R4_ 3  
_ 3{8Zg  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd C^!~WFy  
v>5TTL~?  
光束质量优化 [pz1f!Wn  
b7HT<$Wg  
 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。 5Z[HlN|-!  
 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)。
B~%SB/eu  
$HAwd6NI  
结果:光束质量优化 NYPjN9L  
,PX7}//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。 ;JX2ebx  
z=TuUl@  
JR|P]}  
Agwl2AM5k  
 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。) L/,M@1@R  
tw<}7l_>Au  
>t4<2|!(M  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd D;Y2yc[v  
Kp[5"N8  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 H4BuxM_r  
GX N:=  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 1Ch0O__2L  
qcfg 55]'c  
 这意味着参数变化是的正态 }LX.gm  
cLIeo{H  
.FvIT] k-  
   Olr'n% }  
 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。 S>R40T=e  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 \ZC0bHsA  
^F-AZP /5F  
$~T|v7Y%  
nW]T-!  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run Cp#}x1{  
uC"Gm;0  
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) dEfP272M  
?IR+OCAA  
K# h7{RE  
cFoeyI#v  
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]vR  
=@.5J'!  
总结 "=UhTE  
 R'aA\k-  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 $3(E0\#O  
1.模拟 0fx.n  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 D#11 N^-K  
2.研究 3_Mynop  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 uD:tT ~  
3.优化 ;uqi  
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。 m"vWu0/#  
4.分析 n ZzGak  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 % &i Wc_"  
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。 (?z"_\^n/  
2bTM0-  
参考文献 6{2 9cX.  
[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). }?Tz=hP  
eX o@3/  
进一步阅读 } BnPNc[I  
yu=(m~KX   
进一步阅读 Xl/2-'4  
 获得入门视频 9S{0vc/2@  
- 介绍光路图 trL8oZ6  
- 介绍参数运行 h\*I*I8C  
 关于案例的文档 2%@<A  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens nPjN\Es6  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens FMAt6HfU  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 8z* /J=n  
- 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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