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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) *fDhNmQ `  
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 :EC[YAK+D  
JOq&(AZe  
9H%L;C5<  
简述案例 J16(d+  
L6pw'1'  
系统详情 z!9w Lo^r  
 光源 !_1RQ5]^  
- 强象散VIS激光二极管 /9u12R*<  
 元件 fH 5/  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) _AVP1  
- 具有高斯振幅调制的光阑 P_c9v/  
 探测器 <yE d'Z  
- 光线可视化(3D显示) lGN{1djT  
- 波前差探测 `oH6'+fT`;  
- 场分布和相位计算 G Y ]bw  
- 光束参数(M2值,发散角) .GDNd6[K7  
 模拟/设计 bu r0?q  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 Z:%~Al:  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): +,Z Q( ZW  
 分析和优化整形光束质量 sZPA(N?  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 7%^ /Jm  
d#3E'8  
系统说明 f>_' ]eM%  
5@@ilvwzz  
\ssqIRk  
模拟和设计结果 0W >,RR)  
`GT{=XJfY  
+(| ,Ke  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 f+W %X  
Sy`7})[  
jG&gd<^  
b$1W>  
LYyOcb[x  
总结 aRF}F E,u  
P>i[X0UnL  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 q'[q]  
1.模拟 3]g|Cwu  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 }0~4Z)?e3  
2.评估 le J\  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 W~FM^xR?p  
3.优化 mXXU{IwUe  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。  - }9a%  
4.分析 V0!$k.Wk  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 j UCrj'  
1US4:6xX_  
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。 e2l!L*[g  
W #kOcw  
详述案例 "xKykSk  
z 8\z`#g!  
系统参数 jou741  
v46 5Z  
案例的内容和目标 HTU?hbG(  
7[?{wbq  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 wz=c#}0dB  
WvJidz?5  
ii :E>O(0B  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 -kz9KGkPb+  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 [=q&5'FY0  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 CDU$Gi  
vhOX1'  
模拟任务:反射光束整形设置 _)? 59  
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。 Xe7/  
>Kjl>bq  
HSsG0&'-Y  
QlCs ,bT  
"MNI_C#{  
(B:+md\Q  
规格:像散激光光束 yO`HL'SMo  
(6#, $Ze   
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 \=NS@_t,  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 5b5Hc Inu  
4V9S~^v|  
\&Zp/;n  
TtKV5  
ydm2'aV  
`8sC>)lrwu  
规格:柱形抛物面反射镜 2j <Y>Y  
                         /l&$B  
 有抛物面曲率的圆柱镜 sOUQd-!"  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 VW/ICX~"d  
 曲率半径等于焦距的两倍 @n Oj6b  
Ufr,6IX  
?6T\uzL +%  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) /_l$h_{DH  
' V#$PZx  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 F2:nL`]b[  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) 'NYW`,  
 离轴角决定了截切区域 $4ZjNN@  
*H({q`j33k  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) R Q2DTQ-$  
]oIP;J:&  
   {|D7H=f  
I->BDNk  
光束整形装置的光路图 QDdH5EfY  
x>TIQU=\  
 :qe.*\ c  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 3F ]30  
 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。 Yw_^]:~  
EwX:^1f  
反射光束整形系统的3D视图 |Jpi|'  
aF]cEe  
&6q67  
Lsb`,:  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 P4{!/&/  
 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)。 F+ Q(^Nk  
vg;9"A!(  
详述案例 (R|Ftjs .  
* ,#SwZ  
模拟和结果 %  db  
15\k/[3 #  
结果:3D系统光线扫描分析 :-)H tyzf  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 /JbO$A  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 /|#";QsPN  
'"M9`@Y3^  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd K zWqHq  
C=,O'U(ep  
使用参数耦合来设置系统 'D&[Y)f^  
i!u:]14>  
自由参数: ,LftQ1*;  
 反射镜1后y方向的光束半径 E@[ZwTnJ  
 反射镜2后的光束半径 ZBsV  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) L|]!ULi$d  
 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。 h}&1 7M  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 9AP."RV  
U#>K(  
!>,XK!)  
,%<ICusZ  
D7|qFx;]g  
\9N )71n(  
自由参数: m4x8W2q  
 反射镜1后y方向的光束半径 `PS^o#  
 反射镜2后的光束半径 Hkzx(yTi  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) >e M> Y@8=  
 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。 4#Cm5xAt6  
Cc&SHG*R  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 ,,+iPGa<  
*iiyU}x  
K.r "KxCm|  
结果:使用GFT+进行光束整形 s ~>0<3{5  
:F`"CR^,  
T0v{qQ  
\$W\[s4I  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 lOEB ,/P  
GD@|X wK){  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 ~ya@ YP]';  
')zf8>,  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 bvF-F$n%F  
sg%Ptp  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: ^E]y >Y  
yt[*4gF4  
cH6<'W{*  
8fWk C<f}  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 0x,NMS  
iCIU'yI  
结果:评估光束参数 *IQQsfL)  
 LOi/+;>  
 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。 \'.|7{Xu  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 }s@vN8C  
QE4TvnhK  
P-?R\(QYtR  
 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。 <~ }NxY\5  
 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) (-%1z_@Y  
Dks"(0g  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd } e]tn)  
t{Wu5<F:  
光束质量优化   |Sr  
:CGh$d] +  
 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 6<Txkk  
 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
9a$ 7$4m  
Wa<SYJ  
结果:光束质量优化 @M!nAQ8hY  
w,1&s}; g\  
 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 bY}:!aR<mK  
~nRbb;M  
S<81r2LT  
Aa}Nr5{O|  
 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) :0'vzM  
G'{*guYU  
7bYN  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd {y`n _  
vVf%wei^#  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 ;( [^+_/  
cCv@f ks  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 e/R$Sfj]  
/3j3'~0  
 这意味着参数变化是的正态 )-^[;:B\k"  
z 8<"  
\pVNJ y$`<  
   5%]O'h  
 对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 En{< OMg  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 go?}M]c%7  
}ws(:I^  
hxkwT  
#L+ZHs~  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run K$c?:?wmo  
?X@uR5?{  
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) mbXW$E-&R2  
'}9 %12\^h  
`{H!V~42  
nG~^-c+  
由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 e4<St`K  
d@ef+-  
总结 K>_~|ZN1C8  
Le2rc *T  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 FJ2~SKWT  
1.模拟 Zp+orc7  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ZVDi;   
2.研究 Ww =ksggpB  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 VJS1{n=;k  
3.优化 wRu\9H}  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 'o|=_0-7W  
4.分析 iQvqifDmh  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 E=]$nE]b  
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。 C ett*jm_  
#Yx /ubg6  
参考文献 nU/x,W[}  
[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). $|VD+[jSV  
uQ3W =  
进一步阅读 }*c[} VLN  
;aDYw [  
进一步阅读 KouIzWf.  
 获得入门视频 zKFiCP K  
- 介绍光路图 &W%fsy<  
- 介绍参数运行 !RwMUnp  
 关于案例的文档 #YK=e&da  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens G$t:#2  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens }b+$S'`Bv  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing D<lVWP  
- 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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