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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) NX4}o&mDwn  
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 [sH[bmLR  
[XP3  
H&zhYKw  
简述案例 3Q"4-pd  
obhq2sK  
系统详情 j(maj  
 光源 /R44x\nhr  
- 强象散VIS激光二极管 ;l6tZ]-"  
 元件  a7UfRG  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) v J.sa&\H  
- 具有高斯振幅调制的光阑 l+1GA0'JP  
 探测器 N/fH%AtM  
- 光线可视化(3D显示) Z*(lg$A9 M  
- 波前差探测 &D 4Ci_6k  
- 场分布和相位计算 &Kgl\;}  
- 光束参数(M2值,发散角) *T'>-nm]  
 模拟/设计 L'Fy\K\  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 !xxu~j^T  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): 13nXvYo'  
 分析和优化整形光束质量 W!BIz&SY:-  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ndIU0kq3  
X%b.]A  
系统说明 e-#!3j!'  
icPg<>TQ  
e.|_=Gd2/  
模拟和设计结果 N yK7TKui  
q0hg0 DC[;  
Lh5d2}tcO  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 2nRL;[L*.  
z@0*QZ.y 1  
Ysk,9MR(F  
R)w|bpW  
WurpHOJt+  
总结 93npzpge  
a9GLFA8Vq  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 bNG;`VZ%  
1.模拟 a!>yX ex  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 [J|)DUjt  
2.评估 f: h.O# d>  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ui:  
3.优化 dik+BBu5z  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 ='0f#>0Q  
4.分析 ji[O?  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ,rp-`E5ap  
eswsxJ/!  
对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 0NB6S&lI^k  
'V5^D<1P  
详述案例 KGclo-,  
l*|^mx^Q  
系统参数 b&;1b<BwD  
F-)lRGw  
案例的内容和目标 ?5#Ng,8iT  
iTt"Ik'  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 >a;^=5E  
-T4{PM  
AT:T%a:G?  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 DGx9 \8^  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 Ok+zUA[Wu  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 rdsm /^,s  
,R1`/aRy  
模拟任务:反射光束整形设置 bc"E=z  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 }*~EA=YN;  
U-ILzK  
FKd5]am  
\guZc}V]:\  
Rla4XN=mf  
HM])m>KeT  
规格:像散激光光束 *Rv eR?kO  
"msCiqF{z  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 sD$ \!7:b  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 :5G3 uN+\  
FX"%  
Z1FO.[FV  
fv !l{  
\`#;J?Y|`F  
[IVT0 i  
规格:柱形抛物面反射镜 ObIi$uJX  
                          U&PAs e  
 有抛物面曲率的圆柱镜 n*^g^gp  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 K,[g<7X5  
 曲率半径等于焦距的两倍 Bo?uwi  
^CTgo,uf6H  
#D3e\(  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) QeA)@x.p  
@5H1Ni5/o@  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Wxg,y{(`  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) z12[vN  
 离轴角决定了截切区域 BbZ-dXC<  
=y8HOT}8  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) GBvB0kC)c  
-vI?b#  
   !arcQ:T@G  
%*<k5#Yq  
光束整形装置的光路图 J={$q1@lq  
S(5.y%"<  
__c:$7B/4U  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 t'4hWNR'  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。 !&TbE@Xk  
&-+qB >SK>  
反射光束整形系统的3D视图 N10'./c K  
A6}M F  
C81+nR  
T1;yw1/m5\  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ;C-5R U V  
 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 3=) /-l  
?]f+)tCMs  
详述案例 -B$oq8)n*  
'g#Ml`cm  
模拟和结果 TQ" [2cY  
JiP]F J;  
结果:3D系统光线扫描分析 F&;g< SD  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 F {]:  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ppVjFCv0<  
a2UER1Yp"  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd .t xgb  
7*OO k"9  
使用参数耦合来设置系统 *D F5sY  
@.T'  
自由参数: WE4:Jy  
 反射镜1后y方向的光束半径 M{zzXE[@  
 反射镜2后的光束半径 0F`@/C1y55  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) mT5d[lz  
 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。 Vlce^\s;  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 J'Yj_  
TxwZA  
5wRDH1z@{  
wsP3hE' ]  
#@Zz Bf  
uwQ{y>SG  
自由参数: tHXt*tzq  
 反射镜1后y方向的光束半径 X6!u(plVQ  
 反射镜2后的光束半径 M\,0<{  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) B c*Rn3i@  
 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'  
;:cU/{W  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 d4[M{LSl  
3w ?)H  
iYHD:cg)~  
结果:使用GFT+进行光束整形 %H~q3|z  
[xk1}D  
C#p$YQf  
}Nl-3I.S^  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 c%Yvj  
=i Rc&  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。  o9#  
`HgT5}  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 odny{ePAf  
Z5[ t/  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: B~lrd#qC  
xRP#}i:m  
f<uLbJ6  
K`j#'`/KC  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd XkCbdb  
qeBfE  
结果:评估光束参数 eq "a)QB3m  
mNKe,H0  
 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 \UGs_5OT  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 %xyt4}-)m  
G|'DAj%  
'-4);:(^  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 TPq5"mco  
 M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的) I &YYw8&  
Up*p*(d3  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd I^[R]Js  
TW Qf2  
光束质量优化 6BFtY+.y  
]b.@i&M  
 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 C "<l}  
 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
SBAq,F'  
,@khV  
结果:光束质量优化 zr\I1v]?1#  
6*S|$lo9B  
 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。 VDx=Tsu-  
dU3UCD+2y  
R6h(mPYA  
Ol~sCr  
 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。) T#|Qexz6 @  
 |UZ#2  
]V<[W,*(5  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ?<#6=  
<o3e0JCq  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 ]N:SB  
8 %Lq~ lk  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 *["9;_KD  
4G;+ETp  
 这意味着参数变化是的正态 245(ajxHC  
,`^B!U3m   
u!k\W{  
   bguhx3s  
 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。 d~D<;7M XJ  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 tU}CRh  
q<@f3[A  
14]!LgH  
\%KJ +PJ  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run &[3 xpi{v  
R KFz6t  
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/12q  
q+19EJ(  
%q;3b fq@N  
1 C{n!l  
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。 D}SRr,4v  
]\v'1m"  
总结 6ALf`:  
up=4B  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ZC_b`q<  
1.模拟 =V5<>5"M?  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 );kO2 7dg  
2.研究 sw[1T_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。 )r~$N0\D  
3.优化 >5% o9$|z  
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。 eZ[CqUJ&  
4.分析 czi$&(N0w$  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 }9/30  
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。 "6[' !rq0  
rqxoqcZ  
参考文献 V9`VF O  
[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). C;0H _  
yc8iT`  
进一步阅读 I+kGEHO}  
]!d #2(  
进一步阅读 X-|`|>3E  
 获得入门视频 ` Xhj7%>  
- 介绍光路图 ``nuw7\C:  
- 介绍参数运行 (x@|6Sb  
 关于案例的文档 SpdQ<]  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens M9.jJf  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens *TfXMN ?w  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing i;s&;_0{  
- 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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