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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) !RS9%ES_?  
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 7 _`L$<-n  
/D]Kkm)  
t)` p@]j  
简述案例 WzjL-a(  
>*IN  
系统详情 q#MM  
 光源 W4(v6>5l  
- 强象散VIS激光二极管 /D<"wF }@J  
 元件 2K;#Evn'j  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) $[g_=Z  
- 具有高斯振幅调制的光阑 moMYdArj  
 探测器 BPqk "HG]T  
- 光线可视化(3D显示)  {@gAv!  
- 波前差探测 n|Pr/ddL   
- 场分布和相位计算 D3`}4 A  
- 光束参数(M2值,发散角) n-$VUo  
 模拟/设计 p~K9 B-D  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 vv6?V#{  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): EeB ]X24  
 分析和优化整形光束质量 3t)v %S|k  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 P"1 S$oc  
2jl)mL  
系统说明 <\" .L  
A3HF,EG  
i(*I@ku  
模拟和设计结果 ' _dzcN,z  
h>alGLN>  
ZQ3_y $  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 'Hw4j:pS  
Q.+|xwz  
@b2`R3}9R  
`2 `fiKm  
(DDyK[t+VX  
总结 Q/ZkW  
=oX>Ph+ P  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 3$VxRz)  
1.模拟 |9Yi7.  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。  QV qK  
2.评估 (vc|7DX M  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 M\oTZ@  
3.优化 PmR*}Aw  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 1tB[_$s  
4.分析 aE|OTm+@9;  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 vMla'5|l  
2 -Xdoxw  
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。 cu&,J#r%  
+Llo81j&  
详述案例 mM/i^zT  
{f/]5x(_  
系统参数 ~ttY(w CV  
K>2#UzW  
案例的内容和目标 >^$2f&z  
TeQNFo^_8  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 ~]'pY  
iWLa>z|,  
^V3v{>D>  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 }P9Ap3?  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 (\a6H2z8l  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 (*\jbK  
)US:.7A[.  
模拟任务:反射光束整形设置 N^w'Hw0  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 Q;u SWt<{  
k(%QIJH  
6rN(_Oi-  
{g6Qv-  
fP HLXg5s  
x9W(cKB'S  
规格:像散激光光束 }_ mT l@*  
ILwn&[A0  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 v$wBxCY  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ?=;qK{)37  
!yOeW0/2[  
!xIm2+:(  
BxK^?b[E8  
sZ&G%o  
" =] -%B  
规格:柱形抛物面反射镜 up '  
                         }/P5>F<H[  
 有抛物面曲率的圆柱镜 ,TJ D$^  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 X"fh@.  
 曲率半径等于焦距的两倍 ul f2vD  
=*vMA#e  
(Y% Q|u  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) 9#d+RT  
6 sxffJt  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 qmy%J  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) Mwp$  
 离轴角决定了截切区域 ]iNEw9  
#-% A[7Cdp  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) ;a{:%t  
0c^>eq]  
   )6KMHG  
gk[{2HgN  
光束整形装置的光路图 BvrB:%_:  
D}C,![   
 ^YdcAHjK  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 )vg5((C  
 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。 P|tNL}2`;  
R"MRnr_4K  
反射光束整形系统的3D视图 l7{oi!   
/walu+]h  
Cxod[$8  
;Vik5)D2D  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 @+F4YJmB?l  
 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 klgy;jSEr  
f h#C' sn  
详述案例 sVk$x:k1M  
mI*[>#q>  
模拟和结果 !o=U19)  
[[d(jV=*  
结果:3D系统光线扫描分析 l!}:|N Yh!  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 p Dx-2:}  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 1i:|3PA~  
'bld,Do6  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ,lA.C%4au~  
KDl_?9E5  
使用参数耦合来设置系统 l\M_-:I+4  
^<e@uNGg  
自由参数: >>aq,pH  
 反射镜1后y方向的光束半径 o&AM2U/?  
 反射镜2后的光束半径 b^D$jY  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) -[U1]R  
 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 x3qW0K8  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 /!^&;$A'  
oI)GKA_Ng7  
'XY`(3q  
,QzL)W7  
8Og_W8  
'>$]{vQ3  
自由参数: Y]]}*8  
 反射镜1后y方向的光束半径 C2Xd?d  
 反射镜2后的光束半径 k+I}PuG  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) +xc'1id@[  
 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 5JEbe   
'13ZX:  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 iyj+:t/  
pV4Whq$  
Ig3;E+*>  
结果:使用GFT+进行光束整形 b'6- dU%  
8-y{a.,u.  
kJW N.  
x.8TRMk^  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 s"Pf+aTW  
meN2ZB?Y  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 s w39\urf  
^Y-]*8;]  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 GA7}K:LP'k  
6JKqn~0Kk  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: JQ4{` =,b  
Qs9gTBS;  
%Y!Yvw^&P(  
)M__ t5L  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ~ek$C  
bdGIF'p%  
结果:评估光束参数 | 9~GM  
j"AU z)x  
 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 Q#nOJ(KV  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 dt2$`X18  
Vp>|hj po  
x\Z'2?u}  
 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。 \GHiLs,!  
 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) Bz5-ITX   
C@jJ.^ <<  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd gi 0W;q  
MwmUgN"g  
光束质量优化 J>u 7,  
3e(ehLc4DJ  
 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。 _/wV;h~R  
 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)。
* S=\l@EW  
H,N)4;F<c  
结果:光束质量优化 r\AyN= y  
/4xki_}  
 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。 SR DXfkoI  
r#xg#uoj  
Y(44pA&oN  
+[5.WC7J  
 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。) (PfqRk1Y  
0{#8',*}m?  
J/}:x;Y  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd r2k2%nI-J  
A45A:hqs  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 2 !'A:;  
<Qxh)@ N  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 V{<xf f  
EY \H=@A  
 这意味着参数变化是的正态 b, :QT~g=  
1x[)/@.'f  
rL}YLR  
   ?2>FdtH  
 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。 g55`A`5%C  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 _cu:aktf2  
,Jd ',>3  
D}v mwg@3  
y~75r\"R  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run  4._( |  
sqW* pi  
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) r3>i+i42  
lGVEpCS}  
4fe7U=#;Y  
3;a<_cE*@  
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。 v'e[GB 0  
EOm:!D\  
总结 i\dc>C ;  
~V$ |i"  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 mW:!M!kk  
1.模拟 hXA6D)   
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 $ibuWb"a  
2.研究 hEw- O;T0  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 A,`8#-AX  
3.优化 ;INW`b~  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 v$N|"o""  
4.分析 rta:f800z  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 ]niJG t  
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。 ahPoEh  
z(H^..<!5  
参考文献 <A# l 35  
[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). 0C>%LJ8r  
}X=[WCK U  
进一步阅读 SI=yI-  
U{VCZ*0cj  
进一步阅读 A* um{E+   
 获得入门视频 -e8}Pm "  
- 介绍光路图 F}=aBV|-  
- 介绍参数运行 A]DTUdL  
 关于案例的文档 ndeebXw*  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 4 M(-xl?  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ;v$4$D]L  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing =dFv/F/RW  
- 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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