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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) B&0^3iKFi  
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 KQ3]'2q  
&0Zn21q  
]GYO`,  
简述案例 &I.UEF2,  
-6MgC9]  
系统详情 : j&M&+  
 光源 t=iSMe  
- 强象散VIS激光二极管 )t{oyBT  
 元件 "GP!]3t  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) krZ J"`  
- 具有高斯振幅调制的光阑 58*s\*V` \  
 探测器 lhTjG,U=  
- 光线可视化(3D显示) Cz x U @  
- 波前差探测 St&xe_:^<  
- 场分布和相位计算 hG cq>Cvf  
- 光束参数(M2值,发散角) )((Jnm D  
 模拟/设计 nM  D^x  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 3ik  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): ;]?1i4p)  
 分析和优化整形光束质量 v$"#9oh  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 IC+Z C   
w!)B\l^+c  
系统说明 9iWDEk  
Zo`'xg  
/ Dj6Bj }  
模拟和设计结果 gF1q Z=<  
& |u  
r00waw>C\  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 3 q  
o:_}=1nh  
z %` \p  
pt;E~_  
s M({u/  
总结 =,KRZqz  
|c,":R  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ivC1=+  
1.模拟 J&S$F:HM  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 zcD&xoL\H  
2.评估 +vaz gO<u  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 $x 6Rmd{  
3.优化 K+xiov-r?  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 Wm4@+ }  
4.分析 Dna0M0   
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 7 2ux3D  
"JAYTatO7H  
对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 U?JZ23>bbw  
 @jO3+  
详述案例 !7@IWz(, "  
[wP;g'F  
系统参数 %TxFdF{A  
=v=a:e  
案例的内容和目标 mJRvC%  
xn1  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 rOw""mE  
8I$B^,N  
B:)9hF?o@  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 6#fl1GdH-  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 n;Tpf<*U  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ^kxkP}[Z.  
r]Bwp i%  
模拟任务:反射光束整形设置 x;S v&  
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。 !p4w 8  
\v{tK;  
'YQ"Lf  
,i#]&f`c;5  
f:\jPkf'  
-}1S6dzr  
规格:像散激光光束 -fuSCj  
~T>_}Q[M2p  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 CFAz/x@%  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 6UR.,*f=  
1w'iD X  
12DMb9_rp  
T{d7,.:  
AZz }  
BbUZ,X*Y  
规格:柱形抛物面反射镜 `%p}.X  
                         gBUtv|(@>[  
 有抛物面曲率的圆柱镜 bEP-I5j1t  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 c 6@!?8J  
 曲率半径等于焦距的两倍 ]R\k@a|G  
|[(4h  
PmyS6a@  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) ~ z*  
N_Cu%HP  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 x0@J~ _0  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) x:b 0G  
 离轴角决定了截切区域 -MOPm]iA  
H>_ FCV8  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) #qT97NQ  
'W usEME  
   YFOSv]w  
+b1(sk=4z  
光束整形装置的光路图 %ribxgmd  
hL~@Ah5&t  
Y>geP+ -  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 )(TaVHJR  
 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。 =_I2ek  
wQWokpP;T7  
反射光束整形系统的3D视图 y_M<\b  
01}az~&;35  
-q|K\>tgU  
+'Pl?QyH  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 1VL!0H  
 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)。 gN$.2+:  
[?iA`#^d  
详述案例 &0SX*KyI  
z8{ kwz  
模拟和结果 "8%B (a 5A  
&!]$#  
结果:3D系统光线扫描分析 xCF k1%qf  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 7)!(0.&  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 y[Zl,v7  
9KRHo%m  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd vg"y$%  
7tMV*{+Z  
使用参数耦合来设置系统 ` `j..v,  
8PB(<|}u  
自由参数: ]#P9.c_}  
 反射镜1后y方向的光束半径 &$tBD@7  
 反射镜2后的光束半径 rlk0t159  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) ZQ9!k* ^  
 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。 2s>dlz  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 *,5V;7OR  
}GJIM|7^  
U*`7   
Q( .d!CQ>  
.^j #gE&B  
*gfx'$  
自由参数: j9n3  
 反射镜1后y方向的光束半径 kmPK |R  
 反射镜2后的光束半径 >B/ jTn5=  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) X> :@`}bq  
 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。 /uS(Z-@  
- FV$Sne  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 T#xCu|5  
U1bhd}MoR  
azR<Y_tw  
结果:使用GFT+进行光束整形 uN20sD}  
l_GvdD  
< gB>j\:  
2.CjjI  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 S453oG"  
SO%x=W  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 90L,.  
QEK,mc3  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 n.jF:  
A]" $O&l  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: rTYDa3  
r2H \B,_  
.| CcUmx  
|&B.YLx  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd L&M6s f$N  
;> **+ezF  
结果:评估光束参数 Ab`mID:  
bg;N BoZd  
 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。 'b#RfF,7H}  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 s'' ?: +  
(e sTb,  
^_ <jg0V  
 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。 .WM0x{t/  
 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) z1[2.&9D-  
',j'Hf  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd f>\OT   
Dz/I"bZLC  
光束质量优化 Sp$~)f'  
Z*S 9pkWcF  
 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 `l,=iy$  
 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)。
XzI c<81Z  
H|_^T.n?E  
结果:光束质量优化 b:3n)-V{u  
hgMh]4wN*  
 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。 _h>S7-X  
hFl$u8KV  
tn\Y:  
S6-)N(3|  
 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) vRa|lGeW  
` W$  
aiVd^(  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 7NC"}JB&  
}@MOkj  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 U ^1Xc#Ff  
amq]&.M  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 !Cxo4Twg  
hZ2!UW4'  
 这意味着参数变化是的正态 "&?F 6Pi  
l'=H,8LfA  
7[5g_D t  
   ?:l3O_U 5  
 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。 pOP`n3m0  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 Q4e*Z9YJ  
UwOZBF<  
!xmvCH=2  
,JIjAm*2  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 58\rl G  
Pk/{~!+ $  
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) H~%HTl  
9EzXf+f  
IJHNb_Cku  
)W9W8>Cc5_  
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。 v}p'vh^8B  
z{:T~s  
总结 %UZ_wsY\  
']1\nJP[=X  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 -q1vB8gjj  
1.模拟 1gk{|keh  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 {<0=y#@u  
2.研究 &!> )EHGV  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 1}+lL)-!  
3.优化 19-|.9m(  
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。 g a|RW0  
4.分析 \jLn5$OW  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 ol]"r5#Q_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。 's]I:06A  
A41*4!L=  
参考文献 OZ 4uk.)  
[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). SK f9 yS#  
SrGX4  
进一步阅读 @+II@[ _lT  
fw aq  
进一步阅读 LWgYGXWT"  
 获得入门视频 =d>^q7s  
- 介绍光路图 *Pj[r  
- 介绍参数运行 dw{L,u`68  
 关于案例的文档 vi?{H*H4c  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ! bbVa/  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens o,l3j|1  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing u,AZMjlF  
- 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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