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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) Q8$}@iA[  
二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 m=1N>cq '  
,Y@Gyx!4  
L@rcK!s,lD  
简述案例 av(6wht8  
HRpte=`q  
系统详情 xW+6qtG`  
 光源 ImA @}:  
- 强象散VIS激光二极管 `](e:be}  
 元件 m%0p\Y-/  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) ~kV/!=  
- 具有高斯振幅调制的光阑 ~EW(Gs!=C  
 探测器 5G}?fSQ>  
- 光线可视化(3D显示) 0RzEY!9g+  
- 波前差探测 l&[O  
- 场分布和相位计算 HGl|-nW>  
- 光束参数(M2值,发散角) {% 6}'  
 模拟/设计 2V]UJ<  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 xKbXt;l2  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): EX*HiZU>  
 分析和优化整形光束质量 %q"%AauJR  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ?C]vS_jAh  
;2G*wR  
系统说明 zxEL+P  
pt?bWyKG  
3s*mbk[J  
模拟和设计结果 UB@Rs|)  
YH$-g  
[\]50=&  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 K&u_R  
C-xr"]#]  
c&6 I[ R  
O}gV`q;  
&{5,:%PXw  
总结 5#6|j?_a  
t6rRU~;}  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 F k7?xc  
1.模拟 39c2pV[  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 H;mSkRD3N  
2.评估 Y+pHd\$-4  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 I]|Pq  
3.优化 /*~EO{o  
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。 Brw@g8w-X  
4.分析 AhN4mc@  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ME$[=?7XX  
IuDS*/Sx  
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。 NCXRevE  
wKh4|Ka  
详述案例 E#RDqL*J  
LG0;#3YwH  
系统参数 %jJG>T  
Xxj- 6i  
案例的内容和目标 /A\8 mL8  
Ha#= (9.  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 =}^9 wP  
.N;=\C*  
@ )F)S 7  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 299H$$WS,Z  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 XTs8s12  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 bG"~"ipn%  
>IafUy  
模拟任务:反射光束整形设置 j a[Et/r  
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。 E)&I@m  
AOZP*\k  
PN%zIkbo  
OG~gFZr)6  
NSMyliM1Y  
YRk(u7:0  
规格:像散激光光束 gk4;>}  
Jumgb  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 >~rTqtKd  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ,oe <  
2ACCh4(/P  
eu|YCYj)g  
8$cLG*=h4  
m,28u3@r  
1#g2A0U,  
规格:柱形抛物面反射镜 L< S9  
                         \&:nFb%=  
 有抛物面曲率的圆柱镜 g9pZ\$J&  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 .<?GS{6 N  
 曲率半径等于焦距的两倍 e4$H&'b|  
sjTZF-  
e ,'_xV  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) 234p9A@  
tIi&;tw]  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 eeg)N1\  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) R-wp9^  
 离轴角决定了截切区域 iU918!!N   
]EbM9Fo-U  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) M t|zyXyzX  
"!P3R1;%  
   FkDmP`Od  
BZ#(   
光束整形装置的光路图 +480 l}  
@IKYh{j4  
P8 c`fbkX2  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 #Pau\|e_  
 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。 atH*5X6d  
Q}JOU  
反射光束整形系统的3D视图 Kn{4;Xk\  
2"Q|+-Io  
h&iC;yj=  
Ny7S  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 "{+QW  
 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)。 c):/!Q  
0o4XUW   
详述案例 Paq4  
~Cttzn]pR  
模拟和结果 qo~O|~  
+E+p"7  
结果:3D系统光线扫描分析 2s8a $3  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 h4}84}5d  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ]cvwIc">  
]q[D>6_  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd aK~8B_5k8  
]A `n( "%  
使用参数耦合来设置系统 @bLy,Xr&  
}#+^{P3;  
自由参数: e"cXun4nS=  
 反射镜1后y方向的光束半径 ^CH=O|8j  
 反射镜2后的光束半径 c#]4awHU  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) lFj]4  
 由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 }6~hEc*/"  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 Q\vpqE! 9  
B mb0cF Q  
est9M*Fn  
(L:>\m&NO  
W i.& e  
Lb-OsKU  
自由参数: #%2rP'He  
 反射镜1后y方向的光束半径 Uc>lGo1j  
 反射镜2后的光束半径 *>}@7}f  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) h" W,WxL8  
 基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 _61gF[r4!Y  
G.B2('  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 Rv>-4@fMJ  
=XQ%t @z0  
Rp7mh]kZ  
结果:使用GFT+进行光束整形 C): 1?@  
]/6z; ~3U  
j;r-NCBnz  
>R_&Ouh:  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ^7*11%Q  
Y@iS_lR  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 (WJRi:NP?  
'Is kWgc  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 pki%vRY  
S hWJ72c  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: 9*wK@yEl  
\@zHON(  
cjY-y-vO  
Izc\V9+  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd .P]+? %&  
C) s5D  
结果:评估光束参数 n@i HFBb  
uW{l(}0N  
 从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 B$K=\6o  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 Or+U@vAnk  
00y!K m_D  
,0sm  
 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。 5qm`J,~k  
 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) ^ @5QP$.  
_VN?#J)o  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd TdM ruSY  
`h\j99  
光束质量优化 !.gIHY  
aXYY:;  
 通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 G` A4|+W"  
 之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
?l )[7LR4  
0OE:[pR  
结果:光束质量优化 _{KG 4+5\X  
)akoa,#%6c  
 由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 bE..P&"  
Kc-W&?~y#1  
t*u:hex  
q9_OGd|P  
 然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) \2$|Ei7  
Q%G8U#Tm  
2ilQXy  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd tWRC$  
q} >%8;nm  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 h]gp^?=  
>bW #Zs,6  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 oPM96 (  
PZ9I`P! C  
 这意味着参数变化是的正态 KRzAy)8  
i.m^/0!  
L4HI0Mx  
   wHy!CP%  
 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。 m_]Y{3C  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 5]0 <9a  
C'x&Py/#  
ga+dt  
VPo".BvG6  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run S1_RjMbYM  
N6:`/f+A>T  
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) (<9u-HF#  
ms]sD3z/W+  
]a`$LW}  
4pvMd  
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。 %ET+iIhK  
4WB0Pt{  
总结 zDG b7S{  
(LCfUI6;  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 $UwCMPs X  
1.模拟 |6- nbj  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 5H^ (2w  
2.研究 QXK{bxwC  
为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 GbI/4<)l}  
3.优化 N!}f}oF  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 I?CZQ+}Hq  
4.分析 `a/`,N  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 z$sT !QL~  
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。 \FaP|28h  
ih3n<gXF  
参考文献 e0 ecD3  
[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). >t+P(*u  
At;LO9T3z  
进一步阅读 ;uGv:$([g  
YmG("z  
进一步阅读 "AqB$^S9t  
 获得入门视频 ~xTt204S  
- 介绍光路图 Ewz!O`  
- 介绍参数运行 n$R)>n Y  
 关于案例的文档 A#,ZUOPGH  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens c+ie8Q!  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens .xkM.g4{~  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing gX@aG9  
- 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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