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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) 6o |kIBte-  
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 9:fOYT$8  
D;oe2E{I  
FqkDKTS\&  
简述案例 {FO;Yg'  
O#x*iI%  
系统详情 Vx(B{5>Vu  
 光源 J1/?JfF  
- 强象散VIS激光二极管 m$`RcwO  
 元件 Jpj}@,  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) ZtV9&rd7  
- 具有高斯振幅调制的光阑 K)-U1JE7  
 探测器 ;>5 06jZ  
- 光线可视化(3D显示) mYxuA0/k  
- 波前差探测 j Yx38_5e  
- 场分布和相位计算 Wc,_RN-  
- 光束参数(M2值,发散角) *Nw&_<\9Q  
 模拟/设计 F|F]970  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 ~1cnE:x;V  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): wi hH?~]  
 分析和优化整形光束质量 3j,Q`+l/6d  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 'Hc-~l>D  
2]I4M[|&z  
系统说明 xgABpikC^  
,%n\=  
@L>q (Kg  
模拟和设计结果 N<f"]  
CJ(NgYC h  
UV5Ie!\nm  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 [!!o-9b  
(>F%UY  
x6(~;J  
EzDk}uKY0R  
^sa#8^,K  
总结 kV?y0J.  
"nZ*{uv  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 -%2[2p  
1.模拟 Z&ZP"P4  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 iDMJicW!+F  
2.评估 pV.Av  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 UH]l9Aq$P  
3.优化  =Qh\D  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 Fp@TCPe#  
4.分析 M9EfU  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 8'~[pMn`  
NZ ;{t\  
对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 pcau}5 .  
'pm2n0  
详述案例 }~#pEX~j*  
Sczc5FG  
系统参数 Vm%1> '&  
FQT~pfY  
案例的内容和目标 /<E5"Mm%  
S?RN?1  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 Se HagKA  
yMyE s8  
TftHwe):V  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 [E+$?a=  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 K/A*<<r ~  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 $}lbT15a  
N5*u]j  
模拟任务:反射光束整形设置 hZh9uI7.  
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。 C3< m7h  
fNb`X  
R16'?,  
hc~s"Atck  
CF+_/s#j^  
SGh1 DB  
规格:像散激光光束 )_mr! z(S  
MxSM@3v(  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 )E6;-rD0^+  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 B+[A]dgS  
\zieyE  
RRmLd/(  
qY~`8 x  
L!=4N!j  
!O-C,uSm  
规格:柱形抛物面反射镜 ]?3un!o3o  
                         '&.#  
 有抛物面曲率的圆柱镜 !,[C] Q1  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 T32+3wb"I  
 曲率半径等于焦距的两倍 Yu?95qktP  
6:q"l\n>  
Vl_:c75"  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) fQL"O}Z  
Mr?Xp(.}G  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 @) s,{F  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) ]Tkc-ez  
 离轴角决定了截切区域 *NkA8PC  
nA P.^_K  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) Lg~B'd8m  
f8M$45A'  
   +<xQM h8  
\"CZI<=TB  
光束整形装置的光路图 1QmH{jM  
Y2d;E.DH8  
\2ZPj)&-E  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。  1WY/6[  
 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。 0$7s^?G0  
Kl2lbe7  
反射光束整形系统的3D视图 ~=8uN<  
KN7^:cC  
#ggf' QIHp  
H2 $GIY  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 3 dht!7/  
 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)。 ogL EtqT  
ua5OGx  
详述案例 TUHi5K  
z;A>9vQ_J  
模拟和结果 Qtbbb3m;  
HPb]Zj  
结果:3D系统光线扫描分析 SfJ./ny  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 ]%BWIqbr  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 J9\a{c;.  
?;vgUO  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd YqPQ%  
%g1,N k  
使用参数耦合来设置系统 TjHwjRa  
OCZ[D{i9@  
自由参数: $/=nU*pd  
 反射镜1后y方向的光束半径 iCW*]U  
 反射镜2后的光束半径 t Z`z  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) ?t+5s]  
 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 K4]g[z  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 bYi`R)  
IkrF/$r  
hQ(qbt{e  
SB5&A_tr  
L0&RvI#  
^s@8VAwi  
自由参数: qTAc[Ko  
 反射镜1后y方向的光束半径 FBpH21|/y  
 反射镜2后的光束半径 &g.@u~SI1  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) Ee@4 %/v  
 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。 MXzVgy  
uu}x@T@  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 lY{FSGp  
G7)Fk%>  
/v/C<]  
结果:使用GFT+进行光束整形 Ya;9]k8,  
u1z  
>m# e:[N  
KN?6;G{  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 *P 3V  
/}Lt,9  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 $Bj;D=d@V  
++aL4:  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 *;m5'}jsy  
zoDH` h_  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: esHQoIhd  
?gPKcjgoH!  
 ;b`[&g  
>[ Ye  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 63.wL0~  
F:D orE  
结果:评估光束参数 #fJ] o_  
cuK,X!O  
 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 Ndo a4L)$  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 NTS# sgP  
P%#*-zCCx  
!^v5-xO?rP  
 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。 l#lF +Q;  
 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) +8v9flh  
2-"0 ^n{  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd _[Vf547vS  
iSFuT7; %  
光束质量优化 8a_[B~  
M.nvB)  
 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。 8E8N6  
 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)。
@h*fFiY&{  
} g3+{\x8  
结果:光束质量优化 *loOiM\5a  
j S;J:$>^  
 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 U,+[5sbo  
mo1oyQg8  
<H0R&l\  
:> &fV  
 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) rU;RGz6}  
}lK3-2Pk  
k ^ YO%_  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd  Ug:\  
%0 #XPc("  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 [HN|\afz  
? tfT8$  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 8)kLV_+%  
50 A^bbid  
 这意味着参数变化是的正态 l^d[EL+  
ltkI}h,e  
;SwMu@tg  
   U|HB=BP  
 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。 wZ4tCZA  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 ]`bQW?  
nuoPg3Nl  
H33i*][H  
pDQ}*   
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run bW ZbG{Y.  
Kf 2jD4z}  
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) /t6X(*xoy  
BC,.^"fA6  
 be e5  
lNv".Y=l  
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。 [>^PRs  
DAg58 =qJ  
总结 MG /,==  
cpt<WK}  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 +fx8muz:y  
1.模拟 ( Y+N@d  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 |v[Rp=?]  
2.研究 bu&t'?z x!  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 p#SY /KIw  
3.优化 D0mI09=GtQ  
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。 ,Rx{yf]k  
4.分析 w'X]M#Q><  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 _5MNMV LwW  
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。 #{9G sD  
+,v-=~5  
参考文献 <`!PCuR  
[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). c9j*n;Q  
/H:I 68~  
进一步阅读 jKZt~I  
f'q 28lVf  
进一步阅读 >xA),^ YT  
 获得入门视频 Z?J:$of*  
- 介绍光路图 >/<:Q  &  
- 介绍参数运行 ^v9|%^ug  
 关于案例的文档 yAL1O94  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens W>M~Sk$v  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens |wox1Wt|E  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing D;Gq)]O  
- 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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