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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) 6bF?2 OC  
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 Z]kk.@P  
RZ 4xR  
cVya~ *  
简述案例 c@;$6WSG^  
})RT2zw}  
系统详情 ?@8[1$1a  
 光源 HxCq6Y_m<  
- 强象散VIS激光二极管 v'gP,UO-%D  
 元件 ^wNx5t  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) :ZG^`H/X1d  
- 具有高斯振幅调制的光阑 k]?M^jrm  
 探测器 A`_(L|~  
- 光线可视化(3D显示) '?7th>pC  
- 波前差探测 =.NZ {G  
- 场分布和相位计算 {,EOSta  
- 光束参数(M2值,发散角) &U q++f6  
 模拟/设计  t9T3e  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 64xq@_+  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): 5y-8_)y8o  
 分析和优化整形光束质量 C$Pe<C#  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 #!V [(/  
y Nb&;E7 H  
系统说明 %.^8&4$+  
eLE9-K+  
tKg\qbY&  
模拟和设计结果 DwM4/m  
SxV(.i'  
^@f%A<  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 6&V4W"k  
AdBF$nn[  
CY2DxP%  
f5D.wSY  
5c6CH k`:  
总结 5"(AqXoq  
9Br2}!Ny  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 " a;z  
1.模拟 $__e7  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 6ExUNp @U>  
2.评估 _|%pe]St  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 bDd$79@m  
3.优化 lsmzy_gV7  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 jRIjFn|~{Y  
4.分析 8\c= Un  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 H{|a+  
SR>Sq2cW0  
对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 %4QCUc*lr  
h.0Y!'?  
详述案例 x" 21 Jh  
f:iK5g  
系统参数 -f?Rr:#  
=uKGh`^[  
案例的内容和目标 ,Yhy7w  
bqY}t. Y&"  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 w`XwW#!}@$  
.&2pZ  
FI@2K M  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 U!m-{7s$  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 it!i'lG  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 zSta !]  
pJ7wd~wF*  
模拟任务:反射光束整形设置 9_IR%bm  
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。 2,|*KN*e`W  
9R.IYnq  
@~6A9Fr  
\phG$4(7+  
Re?sopg0r  
,-u | l  
规格:像散激光光束 6suB!XF;  
 N3^pFy`  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 b7fP)nb695  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 X70vDoW  
aq3evm  
g#FqjE|mx  
6$wS7Cu  
R =HN>(U  
@t`| w.]ml  
规格:柱形抛物面反射镜 z.23i^Q  
                         GV)#>PL  
 有抛物面曲率的圆柱镜 ]!H*oP8a*  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 FVLXq0<Cj  
 曲率半径等于焦距的两倍 +Cx~4zEq  
Y5LESZWo  
tjkY[  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) xt +fu L  
[a;lYsOsJ  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 7d/wT+f  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) S|;a=K&hS  
 离轴角决定了截切区域 DMcvu*A  
If6wkY6sR  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) c}vy9m$B_  
3@$h/xMJ  
   +YT/od1t7  
?t)y/@eG  
光束整形装置的光路图 U._ U!U  
&{&lCBN  
#f.@XIt'  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 05*_h0}  
 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。 .5L/<  
u!g=>zEu  
反射光束整形系统的3D视图 8q7KqYu  
cv:nlq)  
} 3:TPW5S  
2 T{PIJg3  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 SfJ/(q  
 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)。 <!X'- >i%q  
!QVd'e  
详述案例 ^1,]?F^  
?O4Dhu  
模拟和结果 i[3$Wi$  
y(.WK8  
结果:3D系统光线扫描分析 ;~~Oc  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 d;lp^K M  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 &%u,b~cL?  
c}Z,xop<P{  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd AG}' W  
}J`{g/  
使用参数耦合来设置系统 >;xEzc!W3*  
58e{WC  
自由参数: w?M*n<) O  
 反射镜1后y方向的光束半径 =q xcM+OX1  
 反射镜2后的光束半径 WS(@KN  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) jn}6yXB  
 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。 (!X:[Ah*$  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 .v1rrH?  
5tq$SF42X  
p6=#LwL'  
iXl1S[.l  
w5n>hz_5  
L$jyeFB5  
自由参数: ,7%(Jj$ ^  
 反射镜1后y方向的光束半径 ^"buF\3L  
 反射镜2后的光束半径 fE7WLV2I>  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) pNiqb+^nz  
 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。 :L`z~/6  
4zf#zJw  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 &u=FLp5  
<Isr  
g X(QRQ  
结果:使用GFT+进行光束整形 +Z;0"'K'e  
&OzJ^G\o  
;'o>6I7Ph  
vN4X%^:(  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ["L?t ^*G  
*;gi52tM  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 m9e$ZZG$  
9h0|^ttF  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 UVI=&y]c,p  
D3^v[>E2  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: ,MvvW{EY  
pwZ &2&|  
5~[ Fh2+  
;N1FP*  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd wy -!1wd  
IS=)J( 0  
结果:评估光束参数 ?5GjH~  
3K0J6/mc  
 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。 &Y#9~$V=  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 [FCNW0NV  
V&}Z# 9Dx  
9n%W-R.  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 }oU&J81  
 M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的) n&V(c&C  
\@F{Q-  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd rvfl~<G*  
fsmH];"GD  
光束质量优化 ?t%5/  
1)Ag|4  
 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 c`jTdVD  
 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
tllg$CQ5  
2 rBF<z7  
结果:光束质量优化 j68Gz5;j  
8'quQCx*=  
 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。 :m~lgb<  
r-0 7!A  
4{Ak|  
*lTu-  
 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。) 0ib 6}L%  
D2mB4  
M<L<mP}  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd xAO ]u[J  
nbRg<@  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 \G"/Myi  
(l^lS=x  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 V,"'k<y  
ejQCMG7  
 这意味着参数变化是的正态 s1FBz)yCY=  
x~z 2l#ow  
rTJWftH!  
   "LWp/  
 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。 GJ$,@  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 m6 gr!aT  
M]{!Nx  
;|%r!!#-t  
Qp54(`  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run sg y  
JQCwI`%i  
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) g\Z k*5(  
h ^c'L=dR  
`sXx,sV?B  
C G7 LF  
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。 f:SF&t*  
i@6 /#  
总结 @W,Y_8:  
&Y>u2OZ  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Y^G3<.B  
1.模拟 5zGj,y>u  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 LNb![Rq  
2.研究 Rt|Hma  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 ba ?k:b  
3.优化 1L|(:m+  
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。 CvJm7c  
4.分析 P(;c`   
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 i=D,T[|>a  
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。 6b|`[t  
?Sqm`)\>4  
参考文献 85 hYYB0v  
[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). M&FuXG%  
e2fct|'  
进一步阅读 Zy%Z]dF  
s*f.` A*)  
进一步阅读 ss<'g@R  
 获得入门视频 h"ylpv+  
- 介绍光路图 }}_uN-m  
- 介绍参数运行 ^4[[+r  
 关于案例的文档 m{ fQL  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens Uz|]}t5V  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens "BRE0Ir:  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing Z]f2&  
- 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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