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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) 56VE[G  
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 Z={UM/6w  
0<6rU  
G >I.  
简述案例 ^ON-#  
z2"2tFK  
系统详情 Fwg#d[:u  
 光源 M ^ 0w/  
- 强象散VIS激光二极管 g%Th_=qy  
 元件 mNGb} lR  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) qYQUr8{  
- 具有高斯振幅调制的光阑 zDKLo 3:  
 探测器 O1l4gduN|i  
- 光线可视化(3D显示) *S,v$ VX  
- 波前差探测 ' |h./.K  
- 场分布和相位计算 eYnLZ&H5O  
- 光束参数(M2值,发散角) 8HHgN`_  
 模拟/设计 S]Yu6FtWiO  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 )1X' W  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): Q-H =wJ4R  
 分析和优化整形光束质量 )< X=z  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ;D %5 nnr  
7 UB8N vo  
系统说明 WW,r9D:/  
;+aDjO2(  
Y9\]3Kno  
模拟和设计结果 ,3g]= f  
QySca(1tN  
od|N-R  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 u|:UFz^p  
?eY chVq  
vQ9 xG))  
+c~O0U1  
OsHkAI  
总结 +J}k_'4&  
{HE.mHy  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 qHcY 2LV  
1.模拟 ^5^ zo~^o  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 z[<pi :  
2.评估 AVdd?Ew  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 PHE;  
3.优化 &~D.")Dz  
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。 oeRYyJ  
4.分析 J$eZLj  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 !X#3w-K  
7Vof7Y <  
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。 } SWA|x  
Is#v6:#^  
详述案例 ivDG3>"JG  
%\s#e  
系统参数 s OrY^cY;  
d-K5nRyI  
案例的内容和目标 f;qKrw  
o@Cn_p^X  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 r4z}yt+  
~O7cUsAi'  
joSr,'x  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 B'[3kJ'  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 gIf+.^/m1  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ^b/q|(Nu&  
wft:eQ  
模拟任务:反射光束整形设置 VN55!l'OV  
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。  Lqf#,J  
t]YLt ,  
/*xmv $  
O(WMTa'%  
mc[_> [m  
E6KBpQcd[  
规格:像散激光光束 ?X5glDZ$  
D9pxe qf+=  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ]jT[dX|?  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 \T#(rt\j  
c)P%O  
+~v3D^L15  
.ubbNp_LU  
My43\p  
2%No>w}/2  
规格:柱形抛物面反射镜 JKu6+V jO  
                         }od7YL  
 有抛物面曲率的圆柱镜 5|B(K @<  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ?@uK s4  
 曲率半径等于焦距的两倍 H1c|b !C  
2K7:gd8Ru  
}5c'ui!3H  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) i|! 9o:  
VL,?91qwe  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ,-NLUS "w  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) -<HvhW  
 离轴角决定了截切区域 0kr& c;~  
nQ(:7PFa'  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) J$=b&$I(  
+^3L~?  
   mjr{L{H=?+  
;>x1)|n5  
光束整形装置的光路图 BtBt>r(*  
A.cZa  
TKs@?Q,J  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 M97p.;;  
 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。 7-0twq   
-,CndRKx  
反射光束整形系统的3D视图 'H-YFB$l  
u$`x]K=Zsm  
VDI S`E  
8X~vJ^X9@y  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 kQiW5  
 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)。 Q~8&pP8 I!  
%!/liS  
详述案例 Ta5iY }  
T/.y(8!0I8  
模拟和结果 *gMP_I  
lNnbd?D8  
结果:3D系统光线扫描分析 E$zq8-p|  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 we).8%)'  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 Fm+)mmJP  
:zy'hu;  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd |N3 Co B  
lkJ#$Ik&  
使用参数耦合来设置系统 .&!{8jBX  
c!FjHlAnP  
自由参数: -(,6w?  
 反射镜1后y方向的光束半径 H {Wpf9_ K  
 反射镜2后的光束半径 Dve5m=  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) xB]v  
 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。 R$,iDv.jI  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 lcJumV=%>  
tg`!svL!  
:1  
$GK m`I"  
aV%rq9Tp  
_BA_lkN+D  
自由参数: w!k4&Rb3  
 反射镜1后y方向的光束半径 .T>}O0L"  
 反射镜2后的光束半径 6_ 0w>  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) xb_:9   
 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 DG FvRB  
j`pR;XL1[  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 %QZ!Tb  
H/I`c>Zn  
+>%+r  
结果:使用GFT+进行光束整形 fmN)~-DV9`  
90v18k  
W{/z-&  
c&W.slE6  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 c<x6_H6[8  
*N+aZV}`Z  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 0'oT {iN  
2g545r.  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 W,J,h6{F  
=5eDT~=2{U  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: *}&aK}h}I  
VO6y9X"  
\gXx{rLW  
*\vc_NP]  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ',%&DA2  
&fj?hYAj  
结果:评估光束参数 UL"3skV   
]V("^.~$+C  
 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。 8H b|'Q|^  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 .ai9PsZ?V  
&3?yg61Ag  
=^M t#h."  
 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。 JH;DVPX9z  
 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) z Pc;[uHT  
!AHm+C_=Lg  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd ?8m/]P/~  
Wc G&W>  
光束质量优化 Q~{@3<yEI  
P9^h>sV  
 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。 7T Bo*-!  
 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)。
3NWAy Cq-  
rT)R*3  
结果:光束质量优化 YTh4&wm  
`:4cb $  
 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。 zghm2{:`?g  
k~dr;j  
s30_lddD  
lukV G2wDL  
 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。) vsR ^aVwVZ  
b1o(CG(}*  
x"80c(i  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd w}b+vh^3Wy  
C%>7mz-v5  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 b4ivWb|`  
t_Wn<)XA  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 X_F=;XF/  
6f>HE'N  
 这意味着参数变化是的正态 ?J ?!%Mw  
OpE+e4~IF  
[_-K  
   D ]eF3a.G  
 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。 t |hmEHUk  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 < i|+p1t  
E>D@#I>  
0]~n8mB>  
ZP<X#]$qb  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 5ntP{p%>  
b1 cd5  
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) )^+$5OR\c  
U\{Z{F%8  
91XHz14  
f7s.\  
由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 *1n:  
~/%){t/uLY  
总结 CHB{P\WF  
BKEB,K=K@  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 zZHsS$/  
1.模拟 z-j\S7F  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 !@X#{  
2.研究 vrGNiGIi[  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 M{QNpoM  
3.优化 V2.K*CpZ7  
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。 Yt^+31/%  
4.分析 9P$'ON'"  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 .y!Hw{cq  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 b4wJnmC8  
oSoG&4  
参考文献 /[L:ol6;!  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). dEiX! k$#  
q.7CPm+  
进一步阅读 ~6nQ-  
GZw<Y+/V"5  
进一步阅读 Y>+D\|%Q  
 获得入门视频 _xUXt)k  
- 介绍光路图 1"k@O)?JP  
- 介绍参数运行 oCrn  
 关于案例的文档 9[! Hz)|X  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens QWkw$mcf  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens eD3F%wxz  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing )+G(4eIT  
- 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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