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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) p&doQh  
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 <!XnUCtV  
sn`?Foh  
 HcS^3^Y  
简述案例 !O_^Rn+<2  
>(KUYX?p  
系统详情 Yx c >+mx  
 光源 y+R$pzX  
- 强象散VIS激光二极管 sswAI|6ou  
 元件 o;I86dI6C  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) 6.=1k  
- 具有高斯振幅调制的光阑 8^i,M^f^{  
 探测器 oioN0EuDk  
- 光线可视化(3D显示) oD1=}  
- 波前差探测 tO3B_zC  
- 场分布和相位计算 wk/U"@lq  
- 光束参数(M2值,发散角) ED&KJnquWJ  
 模拟/设计 RVy87_J1  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 < _uv!N  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): {z ~ '  
 分析和优化整形光束质量 SYLkC [0 k  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 U<byR!qLie  
o|E(_ Y4d  
系统说明 .sMi"gg  
5X|aa>/  
,W;8!n0  
模拟和设计结果 1nG"\I5N}  
RlI qH;n  
;%9ZL[-  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 Ia" Mi+{  
hV>Ey^Ty  
13 p0w  
NPabM(<`  
36UW oo  
总结 v>l?d27R  
,aL"Wy(  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 w=2 X[V}  
1.模拟 Pfy;/}u^c  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 |REU7?B  
2.评估 k Er7,c  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 CKgyv%T5m:  
3.优化 !OemS 7{  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 {.W%m  
4.分析 I !~Omr@P  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 qILr+zH  
2N#L'v@g=+  
对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 _~"3 LB  
=z.AQe+   
详述案例 'KG`{K$  
e&nw&9vo  
系统参数 G9Ezm*I;:  
% VZ\4+8S  
案例的内容和目标 L.[2l Q  
9!h+LGs(,  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 vkLG<Y  
Sj+#yct-  
oQO3:2a  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ~46ed3eGzi  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 huE#VY /t  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 uqH ;1T;s  
v-qS 'N 4  
模拟任务:反射光束整形设置 .=S{  
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。 -B!pg7>'##  
A 78{b^0*  
i"@?eq#h  
2(|V1]6D?  
[g_@<?zg  
__[q`  
规格:像散激光光束 FSk:J~Z;  
3ji#"cX  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 DTY=k  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 @P>@;S  
z=sqO'~  
*V}}3Degh  
)Ec;krb+  
(;3jmdJhK  
 $?YkgK  
规格:柱形抛物面反射镜 ^C{a'  
                         wv$=0zF  
 有抛物面曲率的圆柱镜 ohl%<FqS  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 +TX]~k79Oq  
 曲率半径等于焦距的两倍 /k,p]/e  
VTdZ&%@  
}e$);A|  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) S3m+(N"&  
E {MSi"  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 <LE>WfmC  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) ZmDr$iU~  
 离轴角决定了截切区域 5P4 >xv[  
sAxn ; `  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) Jor?;qo3  
4^5s\ f B  
   Z3d&I]Tf  
$H}Q"^rs  
光束整形装置的光路图 h4C B1K  
d=pq+  
8b/yT4f  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 ^]kDYhe*Y  
 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。 ;Ba f&xK  
$f%_ 4 =  
反射光束整形系统的3D视图 6S(3tvUr  
f &H` h  
uf6{M_jXZ  
K;K tx>Z/  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 S}+n\pyQ  
 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 ^t*BWJxPC  
+W}f0@#)<  
详述案例 0|cQx VJb  
Qk6FK]buV  
模拟和结果 #q-t!C%E  
_%x|,vo`(  
结果:3D系统光线扫描分析 C1_NGOvT  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 B:l(`G  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 4-o$OI>  
Sb<=ROCg@  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd nV<YwqK  
]ba<4:[Go  
使用参数耦合来设置系统 -Fb/GZt|  
i9\Pks#l%  
自由参数: Z7(hW,60  
 反射镜1后y方向的光束半径 %n( s;/_  
 反射镜2后的光束半径 r6A7}v  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) iU &V}p  
 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。 kn! J`"b  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 9QpKB c  
p7z#4 GW  
#2pgh?  
2oN lQiE_  
ZnQnv@{8 l  
6D$xG"c  
自由参数: twJck~l~n  
 反射镜1后y方向的光束半径 Axr 'zc  
 反射镜2后的光束半径 P)T:6K  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 5K8\hoW{  
 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。 i'a M#4V  
X/@Gx 4  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 hM;EUWv  
N @k:kI  
{r Gx*<e  
结果:使用GFT+进行光束整形 $jm'uDvm  
 W?.Y%wc0  
> vgqf>)kk  
7n#0eska,  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 1j}o. 0\  
/GEqU^ B  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 I qma vnM#  
sR5dC_  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 _ yU e2Gd  
t]Vw` z%G  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: thS#fO4]d  
P afmHXx  
aFhsRE?YC=  
sO6+L #!  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd %F03cI,  
D@mDhhK_  
结果:评估光束参数 O^LzS&I*  
keX0br7u_  
 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 ak<?Eu9rV  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 7^S&g.A  
3?2;z+cz*u  
gbo{Zgf<  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 J)*y1   
 M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的) w^dB1Y7c(W  
U,)+wZJ  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd dlyE2MiL:  
.Yo# vV  
光束质量优化 -O oXb( I4  
anv_I=  
 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 (xq25;|Y  
 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
pS51fF9  
~bg FU  
结果:光束质量优化 V<+d o|@F  
jo+T!CUM'  
 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 HAP9XC(F]  
qxk1Rzm?x  
D_'Zucq  
e -x{7  
 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) VYvHpsI  
Rg+V;C C~  
g(|p/%H  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd P oC*>R8  
i_I`Y  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 u2o6EU`  
s}UPe)Vu  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 RKRk,jRL  
RfFeAg,]/  
 这意味着参数变化是的正态 Ws'3*HAce  
R$wo{{KX  
ig3uY#  
   H2[ S]`?  
 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。 pvkru-i]  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 ^?w6  
0lY.z$V  
!c'a<{d@  
'd'*4 )]k  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ,C!MHn^$  
,}F{V>dhn  
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) Y[@$1{YS  
#*XuU8q?  
|Kh#\d  
J!~?}Fq/z  
由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 pv;}Sv$ ]-  
D<C ZhYJ  
总结 [iB`- dE,  
Qgf\gTF$r+  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 g/J ^ YT!  
1.模拟 PG+ICg  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 e\tcP  
2.研究 !Zlvz%X  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 x)5#*Q  
3.优化 e%u1O -*  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 \k;*Ej~.  
4.分析  ze{  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 ="JLUq*]s  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 ldO6W7 G|h  
Ws{2+G~  
参考文献 d>VerZZU  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). xOp8[6Ga'  
BMgiXdv.B  
进一步阅读 R^{Ow  
t,)` Zu$  
进一步阅读 H3nx8R$j](  
 获得入门视频 3mIVNT@S9  
- 介绍光路图 BRhAL1  
- 介绍参数运行 cL?FloPc*  
 关于案例的文档 7 &DhEI ^  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens .r[kNh@ b%  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ~kj1L@gy   
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing !/[/w39D0o  
- 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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