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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) [eI{vH{  
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 w[@>k@=  
[r%WVf.#d  
:lQl;Q -e  
简述案例 .-t#wXEi  
iK{ a9pt  
系统详情 -miWXEe@l  
 光源 7)sEW#d!  
- 强象散VIS激光二极管 /7#KkMg  
 元件 mB &nN+MV  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) ~[bS+ ]d!  
- 具有高斯振幅调制的光阑 =pQA!u]QE  
 探测器 NBzyP)2)  
- 光线可视化(3D显示) F/z$jj)  
- 波前差探测 [|PVq#(  
- 场分布和相位计算 '6Dt@^-PZ  
- 光束参数(M2值,发散角) v2R41*z,  
 模拟/设计 HlEp Dph%  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 sU"D%G  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): 6@kKr  
 分析和优化整形光束质量 VF1)dd  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 o, e y.  
4/; X-  
系统说明 DIO @Zo  
e6n1/TtqM  
Oo{+W 5[  
模拟和设计结果 wW s<{ T  
1(6B|w5+  
;4<CnC**  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 MkJ}dncg*  
t]1j4S"pm  
Z}_{@|  
{H OvJ`tM  
KfpDPwP@  
总结 $#ks`$v M  
QA_SS'*  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 u=B_cA}:  
1.模拟 z^=.05jB  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 Zj;2>  
2.评估 x  8lgDO  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 yIC.Jm D*  
3.优化 `M?C(  
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。 gI rVrAV#  
4.分析 Fhw:@@=  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ='f<_FD  
q]Gym 7o  
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。 DE3>F^ j  
h*2Q0GRX  
详述案例 m)4s4P57y  
jSbO1go#  
系统参数 gzqx{ ]  
pC,MiV$c"  
案例的内容和目标 %m[ :},  
(pXZ$R:  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 k]FP1\Y  
-Si'[5@  
^luAX }*  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 5^'PjtW6  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 V#jFjObTN  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 `[\*1GpAo  
2b+cz  
模拟任务:反射光束整形设置 Ro :/J  
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。 Q: ?]:i/*  
t{t*.{w  
R?3^Kx  
sxM0c  
c]jK Y<  
n,sl|hv2U  
规格:像散激光光束 +P,hT  
h,B ]5Of  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 Z\8TpwD2  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 J1DX}h]  
_U)BOE0o  
m}w~ d /  
J^[>F{8!n  
Gy0zh|me  
vwQY_J8  
规格:柱形抛物面反射镜 Rb=T'x'  
                         |0YDCMq(  
 有抛物面曲率的圆柱镜 J =o,: 3"  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 g/ONr,l`-  
 曲率半径等于焦距的两倍 +^$FA4<~  
E>~DlL%  
O57n<J'6  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) gaBt;@?:Q  
[L h<k+  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 <)c/PI[j  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) Q" BIk =  
 离轴角决定了截切区域 N@J "~9T  
nTO,d$!Kp  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) TS+itU62  
2= FGZa*.  
   ~M`-sSjZs  
JSX-iHhW  
光束整形装置的光路图 HFYN(nz}[  
o>x*_4[  
7z!|sPW](b  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 y7aBF13Kl  
 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。 vU&I,:72 H  
=YlsJ={h  
反射光束整形系统的3D视图 I3uS?c  
N{v <z 6  
mk?&`_X1  
4Z>KrFO  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ju#/ {V;D  
 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)。 ~oO>6  
8Z{&b,Y4L  
详述案例 ` MIZqHM @  
K!^x+B|  
模拟和结果 "PH}\Dl=  
bmN'{09@  
结果:3D系统光线扫描分析 } MBxfZ4I  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 l;^Id#N  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 \C;cs&\Q  
^(7<L<H  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd .s-X %%e\  
M]&F1<  
使用参数耦合来设置系统 7+wy`xi  
6$-Ex  
自由参数: "<6X=|C  
 反射镜1后y方向的光束半径 _bB:1l?V  
 反射镜2后的光束半径 `tKrTq>  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 9xL8 ];-  
 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 2(V;OWY(@  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 Rn6;@Cw  
nxH+XHv  
guJS;VC6U  
O>UG[ZgW  
?,8|K B  
RGd@3OjN  
自由参数: 'J(rIH3U  
 反射镜1后y方向的光束半径 (ZR+(+i,  
 反射镜2后的光束半径 r|2Y|6@  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) . 7WNd/WG  
 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 297X).  
_7df(+.{<A  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 @H%)!f]zWt  
E`68Z/%  
,h1 z8.wD|  
结果:使用GFT+进行光束整形 c*LB=;npI  
1#LXy%^tO  
D"kss5>w  
C+ \c(M a  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 G&qO{" Js  
Y*0AS|r!  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 c^$_epc*  
j >f  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 GG0l\! 2)  
R+vago:  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: jI})\5<R  
h/`]=kCl  
Mrpz(})  
"9W] TG  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd s|*0cK!K^  
D c5tRO  
结果:评估光束参数 !h\.w9o[  
6&jW.G8/  
 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。 zx<:1nF,]  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 bs_>!H1  
-*`7Q'}%  
04;E^,V  
 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。 %t&   
 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) 7X+SK&PX  
m/ D ~D~  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 25e*W>SLw  
*`D}voU  
光束质量优化 e:W]B)0/e  
)Z4ilpU,  
 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。 ^qB a~  
 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)。
ky2n%<0]  
9i9'Rd`g  
结果:光束质量优化 G;RFY!o  
R-2NJ0F7  
 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。 }57s  
.|XG0M  
@4)NxdOE  
1 8*M  
 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。) &m{SWV+   
}%^N9AA8  
z@za9U`6i  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd \mK;BWg)  
 %XF>k)  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 6 &8uLM(z  
D*T*of G  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 0^lCZ,uq;  
>z #^JR\6  
 这意味着参数变化是的正态 /RG>n  
N.~zQVO#R  
JxP&znng  
   qdW"g$fW  
 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。 \&!qw[;O  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 d76nyQKK  
RIm8PV;N  
` x|=vu-  
zf4\V F  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 1]&FB{l  
?hC,49  
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) ax)>rP,V  
$@Bd}35 J  
VTUY#+3  
yg@8&;bP`  
由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 rp&XzMwC4  
l('@~-Zy  
总结 E|,RM;7  
EvP\;7B  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 IGnP#@`5]  
1.模拟 #ET y#jKL  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 =&K8~   
2.研究 urbSprdF  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 @S<6#zR  
3.优化 K[q{)>,9  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 @sdHB ./  
4.分析 e,K.bgi  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 9$q35e  
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。 v ^R:XdH  
{j8M78}3  
参考文献 pN4gHi=  
[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). :<P3fW  
1w!O&kn  
进一步阅读 ]N;\AXZ7  
(Q?@LzCjy  
进一步阅读 ,,c+R?D  
 获得入门视频 /lS5B6NU  
- 介绍光路图 $TX]*hNn  
- 介绍参数运行 :Tcvj5  
 关于案例的文档 0FcG;i+  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens L$z(&%Nx  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens /(u# D[  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing "wR1=&gk  
- 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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