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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) y6-XHeU  
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 .oqIZ\iik  
1l5J P|x  
,:)`+v<  
简述案例 C&+6>L@  
rh!;|xB|+  
系统详情 $A2n{  
 光源 PT'MNH  
- 强象散VIS激光二极管 UMU2^$\iS  
 元件 |A\a4f 'G  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) LlHa5]E@6  
- 具有高斯振幅调制的光阑 =dZHYO^Cv  
 探测器 o.m:3!RW  
- 光线可视化(3D显示) vDFGd-S  
- 波前差探测 *nC(-(r:J`  
- 场分布和相位计算 f>2MI4nMG  
- 光束参数(M2值,发散角) u5B:^.:p  
 模拟/设计 /@"Y^  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 I9?Ec6a_  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): Fh8lmOL;?  
 分析和优化整形光束质量 g^7MMlY%  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 u0 QzLi,  
lk3=4|?zsE  
系统说明 X6\ sF"E  
-C-yQ.>\T#  
H,QTYXi "  
模拟和设计结果 B07v^!Z>  
AY,].Zg[  
)5_jmW`n  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 5] 5 KB;  
W3H+.E  
:o46rBs  
g%nl!dgS  
A1 "SLFY  
总结 cPDQ1qre!  
`=UWqb(K_  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 a5Y IUVCv  
1.模拟 _oG&OJ@  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 x/!5K|c  
2.评估 q%Yn;g|_  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 nKoiG*PI  
3.优化 Hc^W%t~  
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。 TX=yPq  
4.分析 A A^{B  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 (wRgus  
D^ Jk@<*  
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。 ^r6!l.  
QnQOm ""  
详述案例 ntFT>g{B  
#Tw@wfaq)  
系统参数 M{g%cR0  
i|`dWOVb  
案例的内容和目标 N@ \&1I`c$  
d?wc*N3  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 +M' H0-[  
5"XC$?I<}  
FMA6_fju4  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ;oZ)Wt  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 5GA C`}}  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 WHXj8*]6  
F8-?dpf'  
模拟任务:反射光束整形设置 I9h ?;(  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 'R-3fO???  
Od f[*  
xvl3vAN9  
Ym%xx!9  
L:XC  
n3A aZp[  
规格:像散激光光束 ;AO#xv+#  
V|(H|9  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 4=<tWa|@9  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 I:K"'R^  
vz.>~HBP  
!*R qCS,  
MxT-1&XL  
FEVEp  
aDO !  
规格:柱形抛物面反射镜 93Co}@Y;Y+  
                         wF((  
 有抛物面曲率的圆柱镜 wgCa58H76  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 hjZKUM G(k  
 曲率半径等于焦距的两倍 R(q~ -3~  
dFKM 8_jH  
[Xb@Wh:yG  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) !pD*p)`s  
bv&;R  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直  }Y;K~J  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) /!c${W!sY  
 离轴角决定了截切区域 |yx6X{$k  
`@nl  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) ,7<f9 EVY  
On?p 9^9  
   c%MW\qx  
#Y$hNQQ$F  
光束整形装置的光路图 J+`VujWT  
6I%5Q4Ll  
ZIQ [bE7  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 y&V@^ "`  
 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。 =3L;Z[^9  
Z<vKQ4 G  
反射光束整形系统的3D视图 )ubiB^g'm  
J:Qa5MTWp  
"1%5,  
ZzSz%z_sE  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ljb7oA3cP4  
 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)。 Ymg|4 %O@  
<ZNzVnVA  
详述案例 #w' kV#  
INJEsz  
模拟和结果 PpAu!2lt9  
7eAX*Kgt<_  
结果:3D系统光线扫描分析 Eea*s'  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 sVOyT*GY  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 G|!on<l&  
)v.=jup[  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd c9&xe"v  
0@%v1Oja  
使用参数耦合来设置系统 [D\k^h  
AJF#Aw `o  
自由参数: /w}u3|L$  
 反射镜1后y方向的光束半径 Jcrw#l8|C  
 反射镜2后的光束半径 Y2~nBb  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) OG>}M$ Ora  
 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。 1pgU}sRk  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 oYH^_V  
}khV'6"'|  
{#@W)4)cA  
-#N.X_F  
\D*KGd]M0  
V<T9&8l+:  
自由参数: hYG6 pTCb  
 反射镜1后y方向的光束半径 a6)BqlJ  
 反射镜2后的光束半径 #ML%ij 1  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) woGAf)vV#  
 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。 P*3BB>FO   
3 :<WY&9  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 ',JinE95  
d,B:kE0Y  
pL/DZ|S3  
结果:使用GFT+进行光束整形 EVsC >rz  
{Tq_7,8  
-z)n?(pftm  
Y[}>CYO  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 3u*4o=4e  
F%@aB<Nu  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 gG(fQ 89U"  
>4TaP*_  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 Krqtf  
+0nJ  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: g| I6'K!<  
[+n*~  
e> e}vZlX  
d928~y W  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd jCOIuw  
3Q.#c,`jV  
结果:评估光束参数 YNKHN2E8  
}ppN k:B  
 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。 &=] ~0$  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 =Y|VgV  
Ezc?#<+7  
Ug>~Rq]  
 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。 6t[+pL\b  
 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) u8&Z!p\  
ls\WXCH  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd G|!Tj X7s  
%[Wh [zZy  
光束质量优化 H<i]V9r  
n8~N$tDU  
 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 [8 ]z|bM  
 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
bzBEX mC  
Y!-M_v/  
结果:光束质量优化 ;=)k<6  
Dp,L/1GQ8  
 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 mqD}BOif  
_S<3\%(0  
@ym v< Mo  
+%yfcyZ.  
 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) ^a0um/+M}  
N.,X<G.H  
{f3YsM;]C  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd at#ja_ hd  
t<.)Z-Ii  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 ElcjtYu4  
4KhV|#-;k  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 5d Eh7XL  
aH)}/n  
 这意味着参数变化是的正态 V#2+"(7h  
#xsE3Wj-X  
!JHL\M>A5  
   [M]  
 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 UOv+T8f=  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 I667Gz$j5  
H%qsjB^  
!"?#6-,Xn  
!#], hok8X  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run eBZXI)pPh  
QO<jI#  
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) UdT *E: 6  
g0xuxK;9c  
2V- 16Q'%  
>c1qpk/  
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。 ]l_\71  
orzZ{87  
总结 !,wIQy_e4  
? &o2st  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 =MQoC:l  
1.模拟 u@Ih GME  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 1{)5<!9!l  
2.研究 :%l TU  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 .5^cb%B*  
3.优化 jD$,.AVvz  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 RuL i,'u  
4.分析 R/~p>apg8  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 e>} s;H,  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 "Gsc;X'id  
>!eAM )  
参考文献 ;km`P|<U  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). ~8q)^vm>f?  
:}He\V  
进一步阅读 !a{^=#qq&I  
v,FU^f-'  
进一步阅读 8 }I$'x  
 获得入门视频 du<tGsy  
- 介绍光路图 &PR5q 7  
- 介绍参数运行 2,DXc30I  
 关于案例的文档 Mo|;'+  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens [T8WThs  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ak7bJ~)X=  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing u4t7Ie*Q  
- 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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