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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) sny$[!)  
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 DLD5>  
usR+ZQaA  
P`AW8Y6o  
简述案例 <ZjT4><  
=hi{J M  
系统详情 ,ut7`_Fy  
 光源 ;.Y-e Q,  
- 强象散VIS激光二极管 o^v]d7I8b  
 元件 l- $5CO  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) ]]XXcQ,A  
- 具有高斯振幅调制的光阑 cyBm,!  
 探测器 i'p6#  
- 光线可视化(3D显示) xiOAj"}~  
- 波前差探测 <kKuis6h  
- 场分布和相位计算 {JQCfs  
- 光束参数(M2值,发散角) 6o&ZS @  
 模拟/设计 }h1y^fuGi  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 $V,ZH* g  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): mv>-XJ+  
 分析和优化整形光束质量 @]7s`?  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 6k`O  
^j7>Ul,  
系统说明 ko ~D;M:  
/<1zzeHRSD  
13fyg7^JP  
模拟和设计结果 fLZ mQO  
xM=?ES  
zE+^WeH|  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 M}]4tAyT  
c!N#nt_<  
@]etW>F_  
eI98J"h%?  
yM('!iG*/  
总结 ?-JW2 E"uT  
`*3;sq%`  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Hi nJ}MF  
1.模拟 ]z8Th5a?o  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 `6<Qb=  
2.评估 yVWt%o/  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 2TgS )  
3.优化 >4bWXb'S}C  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 (dwb{+HW  
4.分析 # J^ >7v  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 o)+C4f[G4  
Oj '^Ww m  
对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 hISYtNWjd"  
/0b7"Kr  
详述案例 |lN=q44I  
? (M$r\\  
系统参数 Y>x3`f]  
oiOu169]  
案例的内容和目标 vI]V@i l  
Q-J} :U  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 NIHcX6Nw  
A3|2;4t  
V`@/"Djj  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 5w5"rcV  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 |Xmzq X%  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 f9t+x+ Z  
i ^, $/  
模拟任务:反射光束整形设置 [8>#b_>  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 5b->pc  
J^!wk9q  
vAjog])9s  
lQxEiDIL  
F^&@[k7WW  
>7z(?nQYT^  
规格:像散激光光束 3;88a!AA!  
nfh<3v|kvR  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 \d3~kq3  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 qB+OxyT&  
,{_56j^d,  
EqOhzII^  
r{f$n  
# )s +I2  
3Xy~ap>Y  
规格:柱形抛物面反射镜 5sSAH  
                         ZCA= n  
 有抛物面曲率的圆柱镜 }{mS"  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 yv: Op\;R  
 曲率半径等于焦距的两倍 u+c2 m  
/T 2 v`Li  
^CD? SP"i  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) js!C`]1  
l;@bs  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 i=&]%T6Qk  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) /J9Or{#r  
 离轴角决定了截切区域 93 =?^  
r.c:QY$  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) ED);2*qP}  
)~`UDaj_  
   g?*D)W U  
.3#Xjhebvu  
光束整形装置的光路图 c4zGQoeH:  
uX%$3k  
[zSt+K;  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 [;UI8St w  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。 5BK3ix*L  
uo ;m  
反射光束整形系统的3D视图 W$W w/mcl+  
G-,0mo  
]@~%i=. 7  
eU.C<Tv:8  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 $LcMG,8%_  
 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)。 xNa66A-8  
$GHi9aj_P  
详述案例 8"p rWAN  
\f=kQbM  
模拟和结果 / %iS\R%ca  
/2MZH  
结果:3D系统光线扫描分析 aj=-^iGG  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 5 0a';!H  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 Mb45UG#2  
jy_4W!4a  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd [)il_3t  
BqDsf5}jpA  
使用参数耦合来设置系统 oFT1d  
&|' NDcp  
自由参数: NiQ Y3Nj  
 反射镜1后y方向的光束半径 t;u)_C,bmP  
 反射镜2后的光束半径 d[nz0LI|mk  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) lkC|g%f  
 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 o)$eIu}Wg  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 Ocn@JOg  
j`K0D65  
w,_LC)9  
\j &&o  
n xR\tBv  
.~TI%&#  
自由参数: jVHS1Vsei  
 反射镜1后y方向的光束半径 y=jZ8+M   
 反射镜2后的光束半径 r;E5e]w*-  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) =k;X}/  
 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。 zMM ~4?4  
P# U|  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 /LtbmV  
e)}=T0 s  
_H-Fm$Q  
结果:使用GFT+进行光束整形 F8M};&=*1r  
qT&zg@m  
`tcX[(`  
C~'.3Q6  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 73_-7'^mQ  
Xq"Es  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 [57`V &c5  
.[s6PzQy  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 Dtyw]|L\H  
GiXs`Yt|  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: $ f||!g  
&PFq(4  
TI0=nfj  
{xTh!ih2 -  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd tV4wkS=R|  
|KO[[4b ?+  
结果:评估光束参数 ~PU}==*q  
.Yz^r?3t  
 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。 !f}D*8\f  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 ~-uDN)  
 =WEDQ\ c  
] ;HCt=I~  
 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。 VW;E14  
 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) @W~aoq6  
y(E<MRd8V  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd n</Rd=  
fN:FD`  
光束质量优化 {<#b@=G  
+8"P*z,  
 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。 -.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)。
6\ .LG4@LO  
A"R(?rQi=  
结果:光束质量优化 ULs'oT)K;  
$ub0$S/Hu  
 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。 7) a f  
`DM)tm3&m  
Dd-a*6|x  
Vock19P  
 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。) }r;=<mc,O  
5fz K*[B  
(uC@cVk P  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd Md8<IFi9]Q  
Y]5MM:mI  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 1s(i\&B  
T[c-E*{hR  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 #q-fRZ:P  
6#\:J0  
 这意味着参数变化是的正态 Y0m?ZVt  
rhly.f7N=A  
'tU\~3k  
   `0MQL@B  
 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。 _A0X[}^K  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 17 0r5  
x3.,zfWs  
'$J M2 u  
8HHR  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run %az6\"n  
oTcf[<   
第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) W5~!)Ec  
kLpq{GUv:  
!4 lN[  
X\i;j!;d  
由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 @ `mke4>_  
Xs'qwL~{`  
总结 FN (O  
qZv@ULluc  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 {vZAOz7#  
1.模拟 cqW(9A|8  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Z)@[N 6\?  
2.研究 )|AxQPd  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 5r~hs6H  
3.优化 #EB Rc4>,  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 4?[1JN>  
4.分析 E\cX  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 f&RjvVP?s  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 ^\Q%VTM  
%Nob B  
参考文献 g-NrxyTBlx  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). |YfJ#Agm+  
W )Ps2  
进一步阅读 OPogH=vf  
>m{>0k(^`  
进一步阅读 ?8U]UM6Tu4  
 获得入门视频 A4b+:MQ*OX  
- 介绍光路图 z^WY5~?  
- 介绍参数运行 "*(a2k3J  
 关于案例的文档 G|"m-.9F  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 82?LZ?!PD  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens m| 7v76(  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing a0Fq$  
- 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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