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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) d+7Dy3i|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 m&6I@S2  
KJ6:ZTbW  
HO8x:2m  
简述案例 $olITe"$g  
KSl@V>!_  
系统详情 } qr ,  
 光源 -~=:tn)0  
- 强象散VIS激光二极管 E K^["_*A  
 元件 URxy*)  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) 4,6nk.$yN  
- 具有高斯振幅调制的光阑 p~t5PU*(  
 探测器 IlP@a[:_  
- 光线可视化(3D显示) nTXM/  
- 波前差探测 ulY<4MN  
- 场分布和相位计算 'miY"L:| O  
- 光束参数(M2值,发散角) 'y:+w{I2o  
 模拟/设计 OD1>s6uA7  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 eRwm>l"fVV  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): 7`t[|o  
 分析和优化整形光束质量 [yfi:|n1  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 U3ao:2zP  
~]lVixr9  
系统说明 IWAp  
DWar3+u&0  
Vbpt?1:  
模拟和设计结果 gPM<LO`;i  
A/U,|  
gK"E4{y_@  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 ;1woTAuD  
P<gr=&  
ejPK-jxCa/  
9^1.nE(R&  
]$a,/Jt  
总结 r081.<  
i_qR&X  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ;K<W<v5m0N  
1.模拟 M8' GbF=1  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 #1` lJ  
2.评估 _0]{kB.$_  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 Sg}]5Mn`  
3.优化 Rd{#cW~  
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。 = ^A/&[&31  
4.分析 }CXL\, ;  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 $X:r&7t+Q[  
h$y0>eMWs  
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。 `$, \B  
v %fRq!~  
详述案例 7|eD}=jy  
vT>ki0P_;  
系统参数 6H_7M(f  
|LNAd:0  
案例的内容和目标 /SDDCZ`;|c  
Z39I*-6F9W  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 B^u qu  
$x %VUms  
s9-aPcA  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 .TTXg,8#D  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 /_ MEb42&  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 R@)L@M)u;  
<rs"$JJV  
模拟任务:反射光束整形设置 .U:DuyT  
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。 ,5L[M&5  
?YO$NYwE  
5U^  
}6V` U9 ^g  
\f7A j>  
gM<*(=x'  
规格:像散激光光束 /"M7YPX;  
[:!D.@h|  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 :b_R1ZV|  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ]M;aVw<!  
~ST7@-D0  
6mi: %)"  
eQUm!9)  
_g(4-\  
_DK%-,Spu  
规格:柱形抛物面反射镜 nUL8*#p-  
                         i YJzSVO  
 有抛物面曲率的圆柱镜 .l->O-=  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 Q'~2,%3<  
 曲率半径等于焦距的两倍 6(`Bl$M9  
W1 qE,%cx  
D`bH_1X  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) qd FYf/y  
[o=v"s't)  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 PfI~`ke  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) 8W|qm;J98  
 离轴角决定了截切区域 |\OG9{q  
tC=`J%Ik  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) 9Xg+$/  
S"Dw8_y7}  
   P%6-W5<  
)PU?`yLTr  
光束整形装置的光路图 vbeYe2;(  
_[,oP s:+  
VHJ-v!  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 os]P6TFFX?  
 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。 Rmrv@.dr!  
6Y|jK< n?H  
反射光束整形系统的3D视图 .I@jt?6X  
g $\Z-!(  
RQZ|:SvV  
{:VUu?5-t;  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 lkWID  
 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)。 KMxP%dV/=  
'L w4jq  
详述案例 +@Oo)#V|.  
Khbkv  
模拟和结果 wsyG~^>  
f*VBSg[`  
结果:3D系统光线扫描分析 6O^'J~wiI  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 $ePBw~yu  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 3%<Uq%pJ  
Xi]WDH \  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd B*+3A!{s  
LCrE1Q%VP  
使用参数耦合来设置系统 gxX0$\8o7  
K; 7o+Xr  
自由参数: Mt@P}4   
 反射镜1后y方向的光束半径 !H`Q^Xf}  
 反射镜2后的光束半径 qsjTo@A  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) ^rI<}cfR  
 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。 :GU6v4u  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 km; M!}D  
>9o(84AxIH  
Im;8Abf  
'sCj\N  
%z6.}4h  
KLI(Rve24  
自由参数: =#@eDm%  
 反射镜1后y方向的光束半径 =(f+geA"hm  
 反射镜2后的光束半径 HSk gS  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) x~Eg ax  
 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。 D}SYv})Ti  
IR(6  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 pSQ)DqW  
3@ a  
/P*mF^Y  
结果:使用GFT+进行光束整形 (vCMff/ Y1  
H+:SL $+<o  
fUh7PF%  
|sN>/89=/  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 (nk)'ur.  
|kwBb>V  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 (3YI>/#  
&UhI1mi]h  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 K-&&%Id6R  
HH>"J /;c,  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: L lmdydC%  
<$#b3F"I  
P@ewr}  
z~TG~_s  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd {*VCR  
`I(#.*  
结果:评估光束参数 s? /#8 `  
-@49Zh2'  
 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。 RbUhLcG5  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 bI)ItC_wf!  
5T?esF<  
rlEp&"+|M  
 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。 mX78Av.z!  
 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) 9Foo8e  
G3{t{XkV  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 'J R2@W`]]  
^qL2Q*  
光束质量优化 -LF0%G  
Cx$M  
 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 +{V"a<D$m  
 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)。
@SREyqC4  
%vjLw`  
结果:光束质量优化 *={` %  
G1 ?."  
 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。 t.sbfLu  
i{8T 8  
E DuLgg@  
#%CbZw@hJ9  
 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。) }`g:) g J  
> }#h  
\Q+9sV 5,[  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd % AqUVt9}  
D9H(kk  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 +NGjDa  
%Z@+K_X9x  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 O>)<w Ms`  
1O bxQ_x  
 这意味着参数变化是的正态 Txkmt$h  
ZMmaM "9  
I@VhxJh  
   '=!@s1;{[;  
 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 e)dPv:oK3  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 yT Pi/=G  
3L$_OXx  
ZhqrN]x  
 zk8 o[4  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run L8K= Q  
s`* 'JM<  
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) a hi lp$v  
P(I`^x  
<7HVkAa  
>AsD6]  
由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 qbjBN z  
{6%vmMbJ  
总结 n}9vAvC  
C3kxw1*   
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 uP<w rlW  
1.模拟 wjk-$p  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 w=EUwt  
2.研究 OU;R;=/]  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 *<k8H5z8]  
3.优化 dR"H,$UH  
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。 1PWs">*(  
4.分析 q[4{Xh  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 T"1H%65`V  
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。 .<zW(PW  
m(QGP\Ya  
参考文献 `]^0lD=eI  
[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). WF0%zxg]  
v3|-eWet^  
进一步阅读 sg"J00  
x2p}0N  
进一步阅读 nU]n]gd  
 获得入门视频 Xd%c00"U  
- 介绍光路图 CJB   
- 介绍参数运行 ;xFx%^M}br  
 关于案例的文档 IXb]\ )  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens T^LpoN/T  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens Fu4LD-#  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing nR)/k,3W  
- 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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