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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) }{o !  
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 %BqaVOKJ"f  
&XP(D5lf`B  
^OR0Vp>L  
简述案例 }htjT/Nm  
=!O->C:  
系统详情 J!6FlcsZm  
 光源 ^:eZpQ [,  
- 强象散VIS激光二极管 k_al*iM>H  
 元件 l4Xz r:]  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) 6o 3 bq|  
- 具有高斯振幅调制的光阑 157_0  
 探测器 ~GaGDS\V  
- 光线可视化(3D显示) n_8[bkbi  
- 波前差探测 )ZJvx%@i  
- 场分布和相位计算 /:&!o2&1H  
- 光束参数(M2值,发散角) C6_(j48&  
 模拟/设计 vJkc/7  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 c?p^!zG  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): woYD &Oml  
 分析和优化整形光束质量 @ D+ftb/  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 xvr5$x|h  
GF'wDi}  
系统说明 Nk`UQ~g$  
uy'ghF  
 `zwz  
模拟和设计结果 --$o$EP`  
OG,P"sv  
1gEH~Jmj  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 GXNf@&  
J~Xv R  
])x1MmRg\  
e%4?-{(  
yC,/R371k  
总结 `+J Fvn!  
L"L3n,%F  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 N0U/u'J!g  
1.模拟 ::L2zVq5V  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 R`?l .0  
2.评估 ~xH&"1  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 &c`-/8c  
3.优化 ^ k^y|\UtZ  
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。 "q4tvcK.  
4.分析 ,w }Po  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 g|=_@ pL  
_B4&Fb.  
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。 T:|/ux3  
ZO}Og&%  
详述案例 _`$LdqgE  
e5 =d Ev  
系统参数 uFd$*`jS  
e5h*GKF  
案例的内容和目标 ]' mbHkn68  
:NzJvI<  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 |Td+,>,  
E$d3+``  
#u<Qc T@  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 (iIw }f)w  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 'X~tt#T  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ]AP1+ &9fN  
I Mgd2qIC  
模拟任务:反射光束整形设置 [;E%o^/^  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 ~m%[d. }e  
yTaMlT|  
=O/Bte.  
BT_]=\zi  
-F[8 ZiZ  
]5W$EvZ9)  
规格:像散激光光束 E(qYCafC  
y)f.ON36I  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ;'!x  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 7AG|'s['=  
^<]'?4m]  
;D5>iek5  
?0b-fL^^+l  
P{L=u74b{x  
Jx*cq;`Vee  
规格:柱形抛物面反射镜 Gk;YAI  
                         ! VwU=5  
 有抛物面曲率的圆柱镜 5'lVh/  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 S"Al [{  
 曲率半径等于焦距的两倍  >DL  
2:+8]b3i  
ROO*/OOd  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) :}Jx  
=;Id["+  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 (1/Sf&2i  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) M 8^ID #  
 离轴角决定了截切区域 ~{x1/eH  
#86N !&x  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) *k$[/{S1-  
GR,2^]<{  
   ~z[`G#dU  
OY*y<>  
光束整形装置的光路图 ;i{B,!#  
H7O~So*N5  
 <,.$U\W  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 T+8Yd(:hX  
 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。 37bMe@W  
"tCI_ Zi;  
反射光束整形系统的3D视图 t Zxx#v`  
d[9,J?'OQ  
verI~M$v{  
+/OSg.  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 z%&FLdXgW+  
 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 ;W|kc</R*  
[V}vd@*k  
详述案例 w0QtGQ|  
,f03TBD}  
模拟和结果 o'Bd. B  
/ "m s  
结果:3D系统光线扫描分析 ZlV  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 vrn4yHoZ  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 SA, ~q&  
'2,~'Zk  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ]aN9mT N  
Z'o0::k  
使用参数耦合来设置系统 /E>;O47a  
VPN 9 Ql=  
自由参数: F`}'^>  
 反射镜1后y方向的光束半径 yoE-a  
 反射镜2后的光束半径 5- dt0I@<  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) =dm9+ff  
 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 WC_.j^sW  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 P0N/bp2Uy  
f/\!=sa:  
vgW(l2,@  
2[ sY?C  
L F?/60  
G<Z}G8FW^  
自由参数: jAQ{H  
 反射镜1后y方向的光束半径 bR`5g  
 反射镜2后的光束半径 L03I:IJ  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) `&;#A*C0  
 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 q/U-WQ<+  
hB?#b`i^  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 lp*5;Ls'q  
/%YW[oY{V  
,Csdon  
结果:使用GFT+进行光束整形 vbJ<|#|r-  
a-5UG#o  
 &_)P)L  
dJ"44Wu+J  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 [[T7s(3  
oKGH|iVEe  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。  ff9m_P  
 ZllmaI  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 Vmz#u1gGT6  
\mF-L,yu  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: gD$&OkH  
b~;:[ #  
{\Pk;M{Y&  
1I;q@g0  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd !&%KJS6p4  
V7$ m.P#uM  
结果:评估光束参数 j)i c7 b  
l4gH]!/@  
 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。 Hc/7x).  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 ;&lXgC^*  
su0K#*P&I  
$GoS?\G  
 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。 nS#F*)  
 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) \Y,P  
MpKXC   
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd F%L"Q>aHW  
O!PGZuF  
光束质量优化 ;apLMMsWC  
.J.}}"+U  
 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。 gd[muR ~  
 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)。
tFcQ.1  
:b9#e g  
结果:光束质量优化 l(Y32]Z   
$y;w@^  
 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。 ]xf89[;0  
:F d1k Jm  
<mX5VGY9^  
hLfWDf*T|  
 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。) r6j[C"@  
s?<FS@k  
%g*nd#wG  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd JKKp5~_~  
$%U}k=-  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 /A5=L<T6F  
~vP_c(8f  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 \,v^v]|  
QeY+imM  
 这意味着参数变化是的正态 `LH9@Z{  
L^u|= 9  
4][VK/v+  
   bLTX_ R  
 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 VK4UhN2  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 /XG7M=A$o  
j gV^{8qG  
T7YJC,^m  
6oKlr,.  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 4FneP i~i  
lBn<\Y!^  
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) e_Zs4\^ef  
FoIK, MdJ  
VK9E{~0=  
$_%  
由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 ?:q"qwt$F  
0"-H34M <D  
总结 &2@"zD  
y;0Zk~R$  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 daY0;,>  
1.模拟 *{JD= ua  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Ev#, }l+  
2.研究 * *A JFc  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 =PU@'OG  
3.优化 b5p;)#  
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。 )p!") :'fv  
4.分析 ILNghtm-  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 KW0KXO06a  
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。 X"8$,\wX,  
ABE EJQ  
参考文献 823y;  
[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). AzGbvBI&V  
CE183l\  
进一步阅读 _ru<1n[4~  
L7II>^"B  
进一步阅读 I%?M9y.u6  
 获得入门视频 d6W&u~  
- 介绍光路图 4pDZ +}p  
- 介绍参数运行 U:/_T>f%  
 关于案例的文档 \  }-v  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens G4F~V't  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens r|jBKq~  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing X7aj/:fXe  
- 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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