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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) 0H6(EzN  
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 $G8E 3|k  
|v \_@09=  
)m`<H>[Eb=  
简述案例 ock Te5U  
N >FKy'.gk  
系统详情 j/R[<47  
 光源 <Wfx+F  
- 强象散VIS激光二极管 1pt%Kw*@j  
 元件 kDEPs$^  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) I;e=0!9U  
- 具有高斯振幅调制的光阑 PH1p2Je  
 探测器 .X@FXx&  
- 光线可视化(3D显示) ^A!Qc=#z}  
- 波前差探测 d;zai]]  
- 场分布和相位计算 &+cEV6vb+  
- 光束参数(M2值,发散角) @W s*QTlV  
 模拟/设计 3vuivU.3  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 .n#@$ nGZ  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): 1Yq?X:  
 分析和优化整形光束质量 A#Iyb){Y  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 C>-aIz!y  
-K q5i  
系统说明 FKIw!m ~  
:yRo3c  
/35R u}c  
模拟和设计结果 0rOfrTNOz%  
igIRSN}h  
wfNk=)^$  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 qs1 ?IYD  
24E}<N,g  
x}_]A$nV  
% W=b? :  
Sx708`/Ep  
总结 |uX,5Q#6  
W ?qmp|YD  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 $CY~5A`l9  
1.模拟 mR&H9 NG  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 G~Hzec{#tg  
2.评估 4[;X{ !  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 =7w\ 7-.m  
3.优化 /.3}aj;6  
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。 }j^i}^Du,  
4.分析 S4'   
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ! ='rc-E  
}RzWJ@QD<  
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。 SW*"\X;  
OHeT,@(mh  
详述案例 E8pB;\Z(  
MXw hxk#E  
系统参数 v{(^1cX  
] Bcp;D  
案例的内容和目标 oE+R3[D?r  
U> cV|  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 { vKLAxc  
4(|cG7>9-  
=osv3>&q  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 -n=^U  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 #pb92kA'  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 A Y*e@nk\  
<g1hxfKx5  
模拟任务:反射光束整形设置 %+j8["VEC  
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。 ,eTUhK  
t; 4]cg:_  
QWD'!)Zb  
gu0j.XS^  
VtnRgdJ  
V8rx#H~  
规格:像散激光光束 0 vtt"f)Y[  
v*r7Zz6l  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 =T(6#"  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 E7.2T^o;M  
Y&S24aql  
*1v[kWa?  
fQi4\m  
V!lZ\)  
]^lw*724'>  
规格:柱形抛物面反射镜 )/pU.Z/  
                         MCS8y+QK  
 有抛物面曲率的圆柱镜 4kBaB  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ^G4 P y<s  
 曲率半径等于焦距的两倍 `8AR_7i  
j6Yy6X]  
BQ=PW|[  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) wgamshm"d  
JT3-AAi[Z  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 In18_ bc  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) \P.I)n`8 y  
 离轴角决定了截切区域 1guJG_;z  
9QDFEYG  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) \/: {)T~  
[R=yF ~-  
   \Ta"}TF8  
~8GFQ ph  
光束整形装置的光路图 IF44F3(V4  
/H8g(  
+kzo*zW$L  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 ;1%-8f:lW  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。 U)E(`{p]  
sg$rzT-S4  
反射光束整形系统的3D视图 7R6ry(6N  
R)QC)U  
.P[ _<8  
S/9DtXQ  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 -'t)=YJ  
 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)。 ?QFpv #4  
G+X Sfr  
详述案例 n=y[CKS  
[_1G@S6Ex  
模拟和结果 dwDcR,z?a  
b:tob0TB  
结果:3D系统光线扫描分析 G#d{,3Gq1  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 umt.Um.m2  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 1Cv-  
j)<IRD^  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ;#vKi0V7  
&Low/Y'.jJ  
使用参数耦合来设置系统 KG|n  
]x(e&fyHB  
自由参数: P:k>aHnW  
 反射镜1后y方向的光束半径 PIdikA  
 反射镜2后的光束半径 Hn5|B 3vN  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) `f*Q$Ulqx  
 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。 ^j31S*f&:  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 G 8g<>d{j  
$W!!wN=B  
*>n;SuT_  
tt0f-:#  
j g8fU  
, udTvI  
自由参数: ABD)}n=%c  
 反射镜1后y方向的光束半径 y5 *Z 3"<  
 反射镜2后的光束半径 B0dQ@Hq*  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) o<COm9)i  
 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 pe]A5\4c  
C71qPb|$R  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 !cO]<CWPq  
]:Ns f|C0  
NQ(1   
结果:使用GFT+进行光束整形 5|o6v1bM  
Fcd3H$Na;  
`*_mP<Ag  
|=`~-i2W  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 %s|}Fz->  
[RLN;(0n  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 x4;"!Kq\  
kEOS{C%6R  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 lI*o@wQg  
5,_u/5Y4  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: .1KhBgy^K  
LBM ^9W  
/& Jan:  
N G "C&v  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd rH_\ d?b  
\;qW 3~  
结果:评估光束参数 &cxRD  
gW>uR3Ca4  
 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 p "n$!ilbm  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 ,z;cbsV-{  
$Tu61zq  
F`gi_; c  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 vk77B(u  
 M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的) H*ow\ Ct  
LhOa{1SY  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd ]s'Q_wh_-v  
o]yl ;I  
光束质量优化 F Sw\_[^CQ  
l_o@miG/  
 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 B8f8w)m  
 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
\fG#7_wt  
Al}6q{E9+8  
结果:光束质量优化 C-Q28lD}f  
iII=;:p  
 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 W-mQjJ`,B  
9^oKtkoDZ  
@;*Ksy@1O  
lR )67a  
 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) qh9Z50E9  
pT=JP> nd^  
ZrPbl "`7  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd O(fM?4w  
"iy  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 &e @2  
\MyLc/Gh5  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 CyS$|E  
;Lc Z`1  
 这意味着参数变化是的正态 +R3k-' >  
"W6uV!  
A\4D79>x  
   } Yb[   
 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。 4Jp:x"w  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 7m4ao K  
eD,.~Y#?=  
01wX`"I  
cG[l!Z  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run Of*Pw[vD  
.nrMfl_  
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) \UPjf]&  
Y~c|hfL  
BmbyH{4  
]~9t Y n  
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。 $ `ov4W  
k.uH~S_  
总结 SheM|I~de  
n&$j0k  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Ro\8ZXUQa  
1.模拟 o} J&E{Tk  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Jl( &!?j  
2.研究 '~5LY!H(pT  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 r+A{JHnN  
3.优化 dG@%jD)  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 a!a-b~#cx  
4.分析 gwLf'  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 `F-/QX[:  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 /5S30 |K  
9]k @Q_  
参考文献 w mn+  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). 3x`|  
SW H2  
进一步阅读 5 h-@|t  
L uq#9(P  
进一步阅读 I3a NFa}  
 获得入门视频 &TUWW/?T  
- 介绍光路图 Y\D!/T  
- 介绍参数运行 !\-{D$E?H  
 关于案例的文档 (ceNO4"cZ  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens BL0 {HV!  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 6c}h(TkB  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing /NLui@|R  
- 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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