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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) (0qdU;  
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 I@ch 5vl4  
'7W?VipU  
48n>[ FMSR  
简述案例 E YUr.#:  
F,e_`  
系统详情 P$@5&/]  
 光源 0X)'8N  
- 强象散VIS激光二极管 2D MH@U2  
 元件 Lvc*L6  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) 1C=}4^Pu  
- 具有高斯振幅调制的光阑 Z\{WBUR;4t  
 探测器 odquAqn  
- 光线可视化(3D显示) =? xA*_^  
- 波前差探测 7fl'nCo\"  
- 场分布和相位计算 &K`[SX=  
- 光束参数(M2值,发散角) -)?~5Z   
 模拟/设计 5RTAM  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 a'Qy]P}'Ug  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing):  ?S0VtHQ  
 分析和优化整形光束质量 a7q-*%+d5  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 Xig+[2zS  
tGD$cBE  
系统说明 Xt8;Pl  
FQ?H%UcW  
|n=kYs  
模拟和设计结果 q!<`ci,uS  
(>>pla^  
/Yx 1S'5  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 "F|OJ@ M  
m5zP|s1`['  
mb?DnP,z  
'8k\a{t_z  
 tB[(o%k  
总结 bK("8T\?  
`/]8C &u  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ,US~p_M!  
1.模拟 !hF b <  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 S,3e|-&$  
2.评估 h.4;-&  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ^=D77 jS  
3.优化 eJ%~6c`@!  
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。 %o#D"  
4.分析 rQ*'2Zf'<  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 B {/Pv0y   
0wZLkU_(  
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。 `U!eh1*b  
cPI #XPM=  
详述案例 @OFl^U0/  
M5exo   
系统参数 YIfPE{,  
@w6^*Z_hQ  
案例的内容和目标 Ps<)?q6(  
Y: KB"H  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 .(CzsupY_q  
I LF"m;  
C+ r--"Z  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 x;Dr40wD@y  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 '_r|L1  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 U`:#+8h-}  
dm.?-u;C  
模拟任务:反射光束整形设置 *-_` xe  
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。 V)Z*X88:Tv  
( rZq0*  
?*,N ?s(U  
+Z$X5Th  
9eGM6qW\_  
w:'$Uf8]  
规格:像散激光光束 x gaN0!  
N##3k-0Ao  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 |KU>+4= @  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 *M+:GH/5  
9S&6u1  
>0@X^o  
)V)4N[?GC  
&E {/s  
z~o%U&DO}  
规格:柱形抛物面反射镜 A>7'W\R  
                         g6QkF41nG  
 有抛物面曲率的圆柱镜 RS<c&{?  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 xE;fM\7pu  
 曲率半径等于焦距的两倍 79:x>i=  
:7:Nx`D8  
8-juzL}  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) tPC8/ntP8  
jW2z3.w  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 b0LQ$XM>8  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) ;?zb (2  
 离轴角决定了截切区域 nm %ka4  
kX[I|Z=  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) _jU6[y|XLh  
te" 8ZmJ  
   G:u[Lk#6K  
HewVwD<C  
光束整形装置的光路图 C&<f YCwG  
z56W5g2  
8C4 Tyms  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 ZwO&G\A^  
 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。 Om>6<3n  
rCYNdfdpp  
反射光束整形系统的3D视图  `9S<E  
.t"s>jq 1  
us`hR!_  
v{?9PRf\s  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 _i}6zxqw  
 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)。 "vU:qwm  
Qkr'C n  
详述案例 QhpE2ICU  
v`y{l>r,  
模拟和结果 1__p1  
jn)~@~c  
结果:3D系统光线扫描分析 eSa ]6  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 g[H7.  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 Fo?2nQ<  
x0Tb7y`  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd /Pg66H#RUf  
KkAk(9Q/3  
使用参数耦合来设置系统 ]0m4esK`  
p+9vSM #  
自由参数: &~$^a1D6  
 反射镜1后y方向的光束半径 apGf@b  
 反射镜2后的光束半径 a&XURyp  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) fKrOz! b  
 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 ##k== 'dR  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 !^l<jrM  
iCl,7$[*  
;zSh9H  
!8l4H c8  
;"joebZ/  
 U]e;=T:3  
自由参数: dx Mz!  
 反射镜1后y方向的光束半径 x,>@IEN7  
 反射镜2后的光束半径 LAMTf"a  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) /JR*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。 _5.7HEw>/  
oWx! 'K6]V  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 @xO< ~  
5<ery~q  
:j?Lil%R  
结果:使用GFT+进行光束整形 G'{4ec0<{  
B[cZEFo\  
9O@ eJ$  
6PvV X*5T  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 $+7M Y-9T  
K-p1v!IC  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 Sfh\4h$H  
BS+N   
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 Du[$6  
\'E%ue_<9  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: ZHw)N&Qn  
Qy@chN{eP  
%Vive2j C  
">CjnF2>R  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd nuKjp Ap!  
w(.k6:e  
结果:评估光束参数 Q> @0'y=s  
/Pi{Mv eZM  
 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 bnUd !/;  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 (y#8z6\dx  
}1d 6d3b  
_~5{l_v|I  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 A9$q;8= <  
 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) #Du1(R  
,}`II|.oB  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 2hmV 1gj  
9:YiLoz?  
光束质量优化 Ay2Vz>{  
V\)@Yk2  
 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。 !cp ,OrO\  
 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)。
a.wRJ  
[y=k}W}z  
结果:光束质量优化 k gWF@"_  
Ou8@7S  
 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。   3xV  
+a"A svw2  
",`fGu )  
-4;{QB?  
 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。) {gK i15t  
7 P=1+2V  
J<u,Y= -~  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd tY%c-m  
V0ulIKck  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 xJN JvA  
}_gCWz-5?  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 QfT&y &  
T4o}5sq}S  
 这意味着参数变化是的正态 I)Lg=n$  
9(ANhG  
q;t T*B W  
   f>-OwL($P  
 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 ryN/sjQC  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 Bb8lklQ  
&{/ `Q ,  
Yz\z Qj  
cz&Qoyh{;  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run r?[PIf  
vr=iG xD  
第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) w*$nG$  
~U ?cL-`n  
EJb"/oLla  
sAC1Pda  
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。 GT<Y]Dk  
qmtVk  
总结 y%`^* E&  
@M:j~  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 h*h+VM  
1.模拟 jO<K0c c  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 +%$!sp?  
2.研究 Qh%7RGh_  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 a}0\kDe  
3.优化 .nKyB'uV  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 =n i&*&  
4.分析 Y'%sA~g  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 X.%Xi'H  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 t 0nGZ%`  
vC&y:XMt,`  
参考文献 -O^b  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). r >u0Y  
6wIv7@Y  
进一步阅读 P[% W[E<  
.e"De-u  
进一步阅读 W>bhSKV%  
 获得入门视频 9k&lq$  
- 介绍光路图 Xr6lYO_R  
- 介绍参数运行 ^md7ezXL  
 关于案例的文档 Xe:B*  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens S-Ryt>G  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens Bx j6/a7Xd  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 8!4=j  
- 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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