基于光线追踪理论的光学仿真设计软件开发

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在光纤激光器的整个激光传输系统中,输出激光的波长、光斑半径、瑞利长度、输出功率、远场发散角、光束质量因子M2等都是影响光纤激光器设计的主要因素,这些因素也会对光纤激光器在加工熔覆等应用中造成不同的影响。如何从理论上去对光纤激光器输出的光束进行计算和仿真,并在实验中对相关技术人员起到一个很好的指导性作用,显得尤为重要。本文主要是基于几何光学理论,通过光线追踪的方法从理论上分析了激光分别在渐变折射率透镜(渐变折射率光纤)、光纤和光纤激光器切割头中的两个聚焦透镜的传播过程。并采用Matlab建立了从光纤激光器输出的光束在光学系统中的传播过程的光线追踪算法,并计算出了输出激光的相关参数值,结合实验中给出的光纤激光器的参数验证了算法的可行性。为了简化运行方式,易于使用,本文搭建了基于光纤激光器光束仿真的软件平台,根据光纤激光器的基本原理,编写了相应的软件界面,实现了对光线传播过程的计算与图形分析,并模拟了光线在透镜组中的传播过程与zemax的仿真结果进行了对比,验证了程序运行的良好性。同样,结合光纤激光器实验中所用到的相关光学元件的一些数据,对整个所编写的程序进行了测试,达到了可实际应用的效果。由于只是基于几何光学理论的分析,考虑到激光传输过程的复杂特性,非线性效应、模式选择和传输损耗等相关问题,论文设计了软件的整体框架,便于后续进一步完善所编写软件的功能,为光纤激光器的设计工作给出实用且有效的技术方案。
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