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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) 12PE{Mut  
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 1Kh?JH  
sOxdq"E  
-HsBV>C  
简述案例 w)eQ'6Vu  
y+scJ+<  
系统详情 aTh%oBrtP  
 光源 H27Oq8  
- 强象散VIS激光二极管 OZ;E&IL  
 元件 JX)z<Dz$  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) $JB:rozE  
- 具有高斯振幅调制的光阑 G`#gV"PlC  
 探测器  DiQkT R  
- 光线可视化(3D显示) e-cb?.WU?  
- 波前差探测 pInWKj[y1  
- 场分布和相位计算 ;]M67ma7C  
- 光束参数(M2值,发散角) _O;~ }N4u  
 模拟/设计 O|&TL9:  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 '%!M>rY,  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): OPY/XKyY,  
 分析和优化整形光束质量 W:poUG1UR  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 d+2O^of:T  
0bxvM  
系统说明 `VFl|o#H  
f5GR#3-h(  
[a)~Dui0@\  
模拟和设计结果 @ KPv&UB  
mjl!Nth:<  
3d'ikkXK  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 a^T4\  
X_({};mz  
;]ShC\1  
sR>;h /  
N"x\YHp  
总结 ) .-(-6=R  
Omh&)|Iql  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 !bV(VRbu  
1.模拟 ]<;i} n| <  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 7k t7^V<  
2.评估 :IT U0%;!+  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ~:}XVt0%8  
3.优化 \m~\,em  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 y5Wqu9C\Io  
4.分析 ckjVa\  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 %cr]ZR  
aHPSnB&  
对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 v*'iWHCl,  
Ul713Bjz  
详述案例 ~\:j9cC  
zj$_iB`9  
系统参数 dI ZTLb"a  
KYRm Ui#  
案例的内容和目标 -6~dJTm[t  
svq9@!go  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 K]pKe" M  
>,"D9!  
v_ nBh,2  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ^Q)gsJY|I  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 [rUh;_b\D  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 n#^?X  
zsMw5C  
模拟任务:反射光束整形设置 jRdhLs,M9  
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。 A D}}>v  
hKH$AEHEU}  
]~ #+ b>  
a._^E/EV  
Y0L5W;iM  
=wlm  
规格:像散激光光束 >0<KkBH  
bco[L@6G$  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 8MeO U  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 S QM(8*:X  
*t?~)o7  
"x.6W!  
.,ppGc| *  
v`_i1h9p{  
wHt#'`5  
规格:柱形抛物面反射镜 0x]OF8=J  
                         ){Ciu[h  
 有抛物面曲率的圆柱镜 !rsa4t@ t  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 (ifqwl62  
 曲率半径等于焦距的两倍 TJyH/ C  
ET,0ux9F  
\C+*loLs  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) ^z*):e  
u8<&F`7j  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 PQU3s$  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型)  9+'@  
 离轴角决定了截切区域 o%/-5-  
S6Xb*6  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) &Hlm{FHU  
+#-kIaU  
   g:uvoMUD  
SLQ\Y%F  
光束整形装置的光路图 B8cBQv  
B@"SOX  
;o-\.=l  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 |5}rX!wS4  
 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。 JVUZ}#O  
xfV,==uF  
反射光束整形系统的3D视图 08Pt(kzNA  
7x[LF ^o  
v+!y;N;Q  
]k ::J>84  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 SE,o7_k'S  
 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)。 .%x"t>]  
Sc;iAi (  
详述案例 fV.A=*1l#  
D EUd[  
模拟和结果 i ll-%OPeg  
sorSyuGr  
结果:3D系统光线扫描分析 Q vv\+Jp^  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 qYgwyj=4  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 [+g(  
/v}P)&  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd a)3O? Y  
NLcO{   
使用参数耦合来设置系统 lv<iJH\  
2Ueq6IuQ  
自由参数: JC c N>DtP  
 反射镜1后y方向的光束半径 ]}mly` Fw  
 反射镜2后的光束半径 iGG6Myp-  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) M!eoe5  
 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。 (v|r'B9 b  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 UJee&4C-y  
d&}pgb-Md  
[D*J[?yt  
Vk MinE  
^=eq .(>  
Wmzq  
自由参数: NoFs-GGGh  
 反射镜1后y方向的光束半径 Z~r[;={,  
 反射镜2后的光束半径 (H&@u9K?a?  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) hnp`s%e,  
 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。 zq,iLoY[R  
[leW/2i  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 C>*5=p|T  
'M~BE\  
IZv~[vi_  
结果:使用GFT+进行光束整形 -Qg 2qN2{  
i LF^%!:X%  
~R :<Bw  
c5X`_  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 @bY('gC,  
VLf g[*k  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 g d z  
;*y|8od B  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 X Y~;)<s_  
S3SV.C:z>  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: Y8)}P WMs  
{*N^C@  
'dkXYtKCB  
Y.q>EUSH  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd }KK2WJp#M  
XR|"dbZW.0  
结果:评估光束参数 {I`B[,*  
Q(lku"U'  
 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。 Ee&hG[sx  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。  OQ6sv/  
tC2N >C[N  
p?;-!TUv  
 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。 s0r"N7~  
 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) BEln6zj  
Xad*I ulj  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd g]za"U|g  
[_h%F,_ A  
光束质量优化 ]$3+[9x'  
^Z2kq2}a  
 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 x"vwWJNQ  
 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
'V&2Xvl%  
,E&Bn8L~O  
结果:光束质量优化 NUMi])HkN  
;;@IfZ ?j  
 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 eK9TAW  
Qu`n&  
r:-WzH(Ms  
3w Z(+<4i  
 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) X:Q$gO?[4  
Rv vh{U;t  
L!gDFZr  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd cS}r9ga Q  
[G a~%m  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 27>a#vCT  
@&5A&(  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 :7\9xH  
PRD_!VOW  
 这意味着参数变化是的正态 +3Y!xD?=  
H>?F8R_iq  
_9NVE|c;  
    {7X#4o0  
 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。 8Y# bN*!  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 "<*awWNI  
.B>B`q;B  
^n9a " qz  
 5@ foxI  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run M-Y0xWs  
x5OC;OQc  
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) Tr&E4e  
L,~MicgV  
VFO \4:.  
&!jq!u$(  
由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 oEu>}JD  
~GG?GB  
总结 <qhBc:kc  
[T`}yb@  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 S5_t1wqBJ  
1.模拟 Qw?+!-7TN  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Q.k :\m*h  
2.研究 JDv-O&]  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 pUCK-rL  
3.优化 iCTQ]H3  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 MdC<4^|  
4.分析 iq6a|XGi  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 9cd8=][  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 e7xj_QH  
|;u}sX1t9  
参考文献 =Ikg.jYq&F  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). f-g1[!"F  
R#(G%66   
进一步阅读 o2=A0ogz?  
gLQ #4H  
进一步阅读 3]U]?h  
 获得入门视频 F98i*K`"  
- 介绍光路图 [$a<b/4  
- 介绍参数运行 PJgp+u<  
 关于案例的文档 Bux'hc  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 8$vK5Dnn8  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens :eOR-}p'  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing u@=?#a$$  
- 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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