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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) k 1   
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 W9ewj:4\0  
Obm@2;^g6  
*|DIG{  
简述案例 =#c?g Wb56  
8FY/57.W  
系统详情 qg;f h]j%  
 光源 k(v8zDq*  
- 强象散VIS激光二极管 a>{b'X^LV  
 元件 Q9 * N/2+  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) `X7ns?  
- 具有高斯振幅调制的光阑 )!``P?3?  
 探测器 (W l5F  
- 光线可视化(3D显示) 044*@a5f  
- 波前差探测 "nK(+Z  
- 场分布和相位计算 n/3gx4.g  
- 光束参数(M2值,发散角) gB?~!J?  
 模拟/设计 \4.U.pKY  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 H.ZmLB  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): = ?hx+-'  
 分析和优化整形光束质量 "jUr[X2J  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 6T_Mk0Sf+  
]d@@E_s]  
系统说明 R.EA5X|_  
Bjz\L0d  
= e)[?{H  
模拟和设计结果 aQEMCWxZ  
Svmyg]  
2\z"6  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 _r}oYs%1  
/WVnyz0  
[k9aY$baT^  
.FnO  
Lw]:/x  
总结 .wD>0Ig  
q(Y<cJ?X  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 o 2 5kFD  
1.模拟 VT\o=3 _  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 xi=qap=S^9  
2.评估 eYurg6Ob~  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 )CzWq}:  
3.优化 q($lL~Ls  
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。 V X<ZB +R  
4.分析 rSD!u0c [  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 Mc9P(5Bf  
]rDf3_!m(  
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。 WG;1[o&  
FG~p _[K  
详述案例 m%$z&<!  
;C%D+"l1g  
系统参数 Lrr^obc  
#(jozl_8  
案例的内容和目标 aho;HM$hjP  
u!%]?MSc  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 Oah}7!a)  
I~qS6#%r  
qoMYiF}/e  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ML0o :8Bd\  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 `OnN12`  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ^6+P&MxM  
jz|zq\Eek  
模拟任务:反射光束整形设置 I<.3"F1}  
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。 2|o6~m<pE  
w?.0r6j  
j?6%=KuX<  
0z."6 r  
W;,.OoDc>  
9c806>]U^  
规格:像散激光光束 Zb7KHKO{  
v|jBRKU99  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束  :XF;v  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 7I`e5\ u  
/yIkHb^c   
K2L+tw  
ReP7c3D>p  
=4yME  
WB5[!  
规格:柱形抛物面反射镜 !l_ 1r$  
                         G3 #c  
 有抛物面曲率的圆柱镜 #:{PAt  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 %Md;=,a:6  
 曲率半径等于焦距的两倍 HPp Kti7g  
IZ3w.:A  
(I,PC*:  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) ^o|igyS9  
aD3'gc,l  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 a`GoNh,  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) 1d|+7  
 离轴角决定了截切区域 "VkraB.i  
a)4.[+wnRf  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) cy?u *  
tp_*U,  
   d/- f]   
Eti;(>"@  
光束整形装置的光路图 =4/lJm``  
r_ I7Gd  
E@R7b(:*  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。  {k}S!T  
 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。 #+QwRmJdT!  
6\g]Y  
反射光束整形系统的3D视图 P$Xig  
kfg9l?R$I<  
+Ld4 e]  
xgL*O>l)  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 DK&J"0jz,  
 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)。  MI!C%  
p-y,OG  
详述案例 br>"96A1l  
CG@ LYN  
模拟和结果 6N:fq  
3F[z]B  
结果:3D系统光线扫描分析 Bh"o{-$p8`  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 %gJf&A  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 zy8W8h(?  
-2w\8]u  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd YT}m 8Y  
y!."FoQ  
使用参数耦合来设置系统 @ bPQhn#(g  
W'-B)li   
自由参数: *rK}Ai  
 反射镜1后y方向的光束半径 UOZ"#cQ  
 反射镜2后的光束半径 5K;jW  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 6^s=25>p  
 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 bf-.SX~  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 F# y5T3(P  
lSUEE0V%Q  
't{~#0d=  
TPt<(-}W  
#Fl "#g$  
p./zW )7+  
自由参数: - {>JF  
 反射镜1后y方向的光束半径 xD,BlDV  
 反射镜2后的光束半径 "e0$/WQ6J  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) * h!gjbi  
 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 _)yn6M'Dt  
t)=u}t$  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 -[|R \'i  
[DC8X P5 <  
HbX>::J8  
结果:使用GFT+进行光束整形 c]v $C&FX  
y9{KBM%h  
G?jKm_`L  
D/'kYoAEO  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 >Olg lUzA  
mQhI"3! f  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 7](,/MeGG  
-uIu-a]  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 B<u6Z!Pp2  
2%'{f  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: ARGtWW~:  
J70#pF  
Wl/oun~o  
2w>WS#  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 'X d_8.  
Z,^`R] 9  
结果:评估光束参数 /bv1R5  
xeF0^p7Z  
 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。 @e8b'w3  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 RZ-=UIf  
SU~t7Ta!G  
I`^ 7Bk.r  
 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。 N DZ :`D  
 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)  $A]2Iw!&  
HT0VdvLw  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 4$#nciAe  
dQT A^m  
光束质量优化 n!z7N3Ak>  
Z0uo. H@.N  
 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。 /'k4NXnW3  
 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)。
ebK/cPa8  
-c|dTZ8D)8  
结果:光束质量优化 z SDRZ!  
n}/?nP\%  
 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。 5Iinen3>  
Y"6 '  
:>4pH  
y (@j;Q3(r  
 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。) *(wkgn  
ecaEWIOG  
qWX%[i%  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd  kDbDG,O  
]^j:}#R  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 kZ7\zbN>  
{w:*t)@j  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 J<hqF4z  
$/*1 9 e~  
 这意味着参数变化是的正态 cq:<,Ke  
ere h!  
(K9pr>le  
   DQ%bcXs  
 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。 qaJ$0,]H+  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 riw0w  
E)w6ZwV  
WV5z~[  
$d0xJxM  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run BNi6I\wa  
6d~[j <@2  
第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) DBTeV-G9~R  
vge4&H3a&  
~EIK  
wHx@&Tp  
由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 XBx&&  
9dS<^E(ZF  
总结 CCoT  
qZQB"Q.*  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 6=N!()s  
1.模拟 m\*;Fx  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 hA=.${uIO  
2.研究 qmmQH S  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 L#huTKX}  
3.优化 $ljzw@k  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 m[aBHA^g  
4.分析 PFR64HK2  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 C2e.RTxc  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 j(aok5:e  
Oq3aboAt  
参考文献 7QSr C/e  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). :O?+Ywn  
 9}-;OJe  
进一步阅读 B1^9mV'O  
RnV#[bM{  
进一步阅读 @kst G3@  
 获得入门视频 ]mzghH:E  
- 介绍光路图 wWYo\WH'  
- 介绍参数运行 o?,c#g  
 关于案例的文档 m!Y4+KTwD`  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens C>NLZM T  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens x*'2%3C~  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing E;1QD/E$  
- 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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