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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) 2q*aq%  
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 odC}RdN  
\t@4)+s/)  
oY0`igH  
简述案例 `d. 4 L.],  
k;?E,!{  
系统详情 xl;0&/7e  
 光源 keL!;q|r-)  
- 强象散VIS激光二极管 ]~-vU{  
 元件 6pY<,7t0  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) YR}By;Bq  
- 具有高斯振幅调制的光阑 .>{I S4  
 探测器 e&J_uG  
- 光线可视化(3D显示) Ba /^CS  
- 波前差探测 4m3pF0k  
- 场分布和相位计算 52d8EGC  
- 光束参数(M2值,发散角) RTRi{p  
 模拟/设计 \]+57^8r  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 ~ 6-6aYhe  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): _4#&!b6  
 分析和优化整形光束质量 2rJeON  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 >*cg K}!@  
26<Wg7/,  
系统说明 <tp#KZE  
Wx-vWWx*Q  
S2*ER  
模拟和设计结果 KK4"H]!.  
7JHS8C<]  
FkJX)  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 K7N.gT*4  
 V_-{TGKX  
cPm-)/E)i  
njN]0l{p  
zm('\KvT  
总结 *.ZU" 5e  
<UMT:`h1MZ  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 v5N2$Sqp*  
1.模拟 s55t>t,g6  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 '{(/C?T  
2.评估 {IpIQ-@l  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 Ee?+IZ H7|  
3.优化 dn)pVti_  
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。 ?Ok@1  
4.分析 =ap6IVR  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 --9Z  
wu2C!gyBo  
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。 r9d dVD  
@ dF]X  
详述案例 qTl/bFD  
$ZOKB9QccC  
系统参数 x6c#[:R&  
Udh!%QP%[w  
案例的内容和目标 Y?>us  
OK^0,0kS3  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 2og8VI  
bG6<=^  
IAJYD/Y&?  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 "=BO,see9  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 4: <=%d  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 X&qa3C})  
BLvI[b|3gn  
模拟任务:反射光束整形设置 t9Nu4yl  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。  j{;RuNt  
k v}<u  
Iu -CXc  
?$T39U^  
#1C~i}J1  
!tNJLOYf  
规格:像散激光光束 [8K+  zT5  
<XHS@|  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 6^ DsI  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 (cj3[qq  
aumXidb S  
9A4h?/  
O(( kv|X4  
%ycCNS  
weOzs]uc  
规格:柱形抛物面反射镜 z]YP  
                         %YaUc{.%  
 有抛物面曲率的圆柱镜 @M V%&y*z.  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 7(<49bb.V  
 曲率半径等于焦距的两倍 ]/+qM)F  
GD$jP?  
<}E^r_NvD  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) p ]zYj >e  
A!kNqJ2  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Iy}r'#N  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) 3PonF4  
 离轴角决定了截切区域 ')9%eBaeK  
IKK<D'6  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) aqb;H 'F  
t|X |67W  
   Te8BFcJG  
:8_`T$8i4  
光束整形装置的光路图 sQA{[l!aj  
k:4?3zJI  
i;0`d0^  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 hG,gY;&[6  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。 8i;N|:WdH  
?;,Al`/^  
反射光束整形系统的3D视图 16\U'<  
6bg+U`&g  
wYf=(w \c  
>5Zp x8W  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 OvPy+I  
 绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 9xg_M=72  
lO9{S=N  
详述案例 ~zz|U!TG  
tji,by#E/%  
模拟和结果 @"s\eL,r  
;f-|rC_"  
结果:3D系统光线扫描分析 JXeqVKF  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 D^PsV  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 JLAg-j2  
R7KQ-+Zb  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd |4Ix2GD  
Snt=Hil`  
使用参数耦合来设置系统 JMOP/]%D  
F!>K8q  
自由参数: nRQIrUNq  
 反射镜1后y方向的光束半径 %:o@IRTRU  
 反射镜2后的光束半径 T , =ga  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) >B~jPU  
 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 >V(2Ke Y  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 MatC2-aV1  
Y%:p(f<  
(r[<g*+3  
pOI+  
^qbX9.\  
1MJ]Gh]5  
自由参数: UKK}$B  
 反射镜1后y方向的光束半径 QBsDO].J<  
 反射镜2后的光束半径 Xy*X4JJh^  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) >2syF{`j  
 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。 %Y Rg1UKY  
k7{fkl9|#  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 >q &ouVE  
)+t5G>yKK  
H[N&Wiq/|  
结果:使用GFT+进行光束整形 )Q xv9:X  
n'*Ljp  
$fKwJFr  
\S7OC   
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 _ z4rx  
uWnS<O  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 G0s:Dum  
/#G"'U/  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 P)ZSxU  
>qF KXzI  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: g[M@  
@B9|{[P  
4\OELU  
3X!~*_i C  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd F[=m|MZb  
H+5]3>O-$  
结果:评估光束参数 h5F'eur  
UdI>x 4bI  
 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。 sId5pY!  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 , ;d9uG2  
Na~_=3+a  
&HXSO,@  
 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。 fd,~Yj$R?  
 M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的) Wq9s[)F"Z  
>Ed^dsb&  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 0KQ8; &a|  
Awh"SU Oh0  
光束质量优化 `X^e}EGWu  
GO)rpk9  
 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 W"-nzdAJ5  
 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
F>b6fUtR  
-KNJCcBJ  
结果:光束质量优化 'j3'n0o  
R$@.{d&:w  
 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。 |TUpv*pq  
{PVu3 W  
wwAT@=X*}  
O^xt  
 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。) aXJe"IT.u  
7}x-({bqy  
V]O :;(W_  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd h@DJ/&;u@  
xqtjtH9X  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 .)3 2WD%  
|K_B{v.   
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 /r%+hS  
p_AV3   
 这意味着参数变化是的正态 +-nQ, fOV  
>eTlew<5  
*@& "MZ/M  
   #CS>A# Lk  
 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。 xKr,XZu  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 g7P1]CZ}  
IID(mmy6 L  
L&N"&\K2U  
b tu:@s8ci  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run biG9?  
u .2sB6}  
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;wEf%`  
'JMa2/7CG  
%yMzgk[u  
1 ~7_!  
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。 tAA7  
f$>orVm%.  
总结 /( V=Um^0  
ifs*-f  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ]p!J]YV ]0  
1.模拟 ! -c*lb  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Y2X1!Em>B  
2.研究 {Pb^Lf >  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 K|G $s  
3.优化 C' ._}\nX  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 i-?zwVmn  
4.分析 [tzSr=,Cg  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 !T*B{+|  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 #FB>}:L{h*  
W\,lII0  
参考文献 BB.TrQM.#  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). .NT&>X~.V  
%d0S-.  
进一步阅读 w4'K2 7  
' D&G~$  
进一步阅读 h,>L(=c$O  
 获得入门视频 (@ E#O$'  
- 介绍光路图 :6?&FzD`  
- 介绍参数运行 u mlZ(??.  
 关于案例的文档 9@Sb! 9h  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ? sW`**j  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens V@:=}*E  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing XQOprIJ U  
- 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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