《Zemax激光光学设计实例应用——自学案例汇编》之<Zemax光纤输出光斑整形光源的选择问题（非序列模式）>
简介：这份材料是作者自学Zemax光学设计及在实践中应用的案例汇编，提供初学者使用软件作光学系统设计练习，整个过程需要Zemax光学系统设计软件。使用的软件版本为比较常见的2005或2009。因两个版本在某些菜单列表和窗口形式上的些许差异，读者需自行对比测试。最开始的一些例子是基于目前比较常见的教材和习作而进行的细化论述，以丰富本文内容同时对初学者入门更有帮助。作者才疏学浅，不保证该文本的科学性和有效性，其主要作用在于帮助自己对知识进行积累、回顾和追溯。文中会对各个实例的关键位置进行尽量详细的叙述，以达到尽可能全面地掌握知识的目的。本文基于理论与实践的结合，不仅描述如何设计一套光学系统，并且讨Zemax激光光学设计实例应用—自学案例汇编FN∏A TWUZ图18-43D光路结构图(混合序列模式)为了减少麻烦,用不着重新在非序列模式中编辑所有组件;我们可以将上述例子直接转换到非序列模式下。步骤为,主菜单 Tools→ MIsce1 aneous→ Convert to NsC Group,在弹出的对话框中,选择要转换的序列范围,比如,这里是从 Surface2到 Surface13,同时注意勾选 Convert file to non- sequenti al mode,确定后即可转换为非序列模式,透镜元件都在。不过,你会发现,原来已有的非序列组件不能转换过来,自动消失了。不过没关系,重新编辑缺失的组件即可。如图18-5所示,添加一个圆柱体(光纤)组件,再添加若干个探测器(方便自己观察的位置即可)BI Non-Sequential Component EditorEdit Solves Errors Detectors Database Tools ViEW Helpobject Typecomment2P351t1hMaterial Front FZ LengthBack rinder volume.050standard I erF1510.70N-5F64R.00冂.000.250standard LerF1511.820N一LAKs.50n6250Toroid a Lers surfaces00Q2.530standard Lerssurfaces45,440D.00Qtandard Lers surfaces4,3200。000standard Lers surfaces47.3z0BA/.0005,350Detector民ect116.000Detector Fect5.200200图18-5非序列光学组件列表接下米,我们米重点说一说光源的选择问题。因为光源的选择会明显影响仿真的实际效果。这里,我们需要个发散型的光源,发散角基本要和光纤的数值孔径相同,光源放在光纤前端——入射端。非序列光源组件有多种类型叫选,包括椭圆形光源 Source e1 lipse半导体光源 Source diode等等。这些可改置发散角的光源是否都满足要求呢,我们要看《 Matlab辅助激光光学分析与应用》作者出品Zemax激光光学设计实例应用—自学案例汇编看这些光源通过光纤组件之后输出一段距离光线的分布情况和聚焦的情况。我们首先选择椭圆形光源 Source e11ipse作为输入光源,放在光纤输入端。表面上看,椭圆形光源 Source e11ipse是一个面光源,可以分别设置两个半轴长度,但实际也是无穷远点光源。要设置光源的发散角,则需要改变发光源的位置,从无穷远改为有限距离。obiectcomment z Position Material*LayoutSourcepie50.020500000Power (wat.. wavenumber color# x Half wi.. Y Half wi.source Di..1.0000.0200.0200.100图18-6椭圆光源参数设置如图18-6所示设置光源参数,类型 object Type选择 Source e11ipse,位置zPoSItion设为-50.02,绘图光线数目 Layout rays设为50,分析光线数目 AnalysisRayS改为500000,半轴长度(相当于光阑) X Half width、 Y Half width均设为0.02(小于光纤半径),光源距离 Source distance设为0.1,其他参数默认即可。如此设置,光源距离和光阑尺寸的配合,恰好获得数值孔径NA为0.2的光源。然后在光纤输岀端、距离光纤端面0.5mm的位置放置一个探测器,检测输出光线分布情况,探测器像素500,尺寸要比预测光斑尺寸略大一些(一般2倍即可)设置完华,打开3D光路结构图,如图18-7所示。可见与图18-4所示的混合序列模式没有明显区别,除了绘图光线均匀性的区别,非序列模式中绘图光线为随机分布方式,而序列模式中绘图光线为均匀分布方式将图像局部放大,观察光纤输入端和输出端,注意光线是否有溢出或者发散角与设想的是否一致等等,分别如图18-8和18-9所示。因为,笔者实测发现一个问题,减小光纤直径,到一定程度之后,就会影响输出端的光线数值孔径,似乎一部分发散角大的光线被消去,输出的光线数值孔径变小了。但是,这时如果将光纤长度缩短到一定程度后,输出光线的数值孔径又能恢复正常。这个问题具体是由什么原理、原因造成的,口前还不知道。也就是说,用这个圆柱体cy1 inder yo lume来模拟光纤,需要注意育径-长度比例,否则丢失信息,读者注意。《 Matlab辅助激光光学分析与应用》作者出品Zemax激光光学设计实例应用—自学案例汇编图18-73D光路结构图(非序列模式图18-83D光路结构图-光纤前端(非序列模式)《 Matlab辅助激光光学分析与应用》作者出品Zemax激光光学设计实例应用—自学案例汇编图18-93D光路结构图-光纤出端(非序列模式)接着,打开探测器观察窗口,再打开光线追迹控制器,追迹所有探测器光线。这里,我们放置了两个探测器,分别在光线输出端口和光线聚焦位置。先看光纤输出端的光线分布,如图18-10所示为相干模式下,光纤输出端附近的光斑形状及光线密度分布情况,从图上看,分布不是很均匀,但大体还是可以看出光斑整体轮廓效果:;再切换到非相干模式下,如图18-11所示,我们看到这时光线分布严重不均匀,甚至光斑轮廓都看不到了,这显然已经和实际经验相去甚远了。133,S1l5宁,四了了4:1F315宁,H4,529,总92H,3屮DETEC T0R工MRGE: COHEEENT工RRFD工FNCED: YHG旺 AM BELTVERT SIST日正,屮日國翼的,题 H NILLLHETERXELS 500WX 591 H. TOTAL HITS =499993FHc:1,用92《 Matlab辅助激光光学分析与应用》作者出品Zemax激光光学设计实例应用—自学案例汇编图18-10探测器光线分析-光线输出端(相干模式)291625222三51292H1DETECTOR工HGE: INCOHERENT RR工HNE正囚,"HM工ET防.PIEs5EW5〗H.卫THT=曾們EF工RRR工RNCE40TE+004 HATTSCH 2TOTHL POWERi 9 9998E-00L HTT5图18-11探测器光线分析-光线输出端(非相干模式)121,5L,2272,55四DETE匚TDR工NRGE: COHERENT工 =EDLNCEND: HG BERM ELTWERY STSTEMTUE MAY正 ETECTOR 9. NSCG SLRFRCE正EW2@H山工TE,FE§5W5H,TfHT=2PEF TRRAOTFNCE i 12785E+00L ATTSCH"?OTAL POWER2.5占5E-2 MATTS图18-12探测器光线分析-聚焦光斑(相干模式)《 Matlab辅助激光光学分析与应用》作者出品Zemax激光光学设计实例应用—自学案例汇编r94:15屮714,72535,32555,123827E58 8317ETEGTUE工MRGE: INCOHEENT RRH工RNCELD: YAG BERM DELIVERY SYSTE1RCE 1SLZE 4I LX 21DE5 H MILLLHE TER PLNELS 59 5X 505 H. OTAL HTs =197978CE::60:m2TOTHL FILER图18-13探测器光线分析-聚焦光斑(非相干模式)再看另外一个探测器,光线经过透镜光学系统整形聚焦后的光斑形状和光线分布情况,相干模式和非相干模式分别如图18-12和18-13所示。同样,相干模式虽然分布也不均匀但基本还能看出光斑轮廓为以椭圆光斑;而非相干模式下,光线分别很不均匀,看上去光斑形状也不是椭圆形,而是一个变形了的菱形。于是,笔者怀疑光源的选择和设置可能不人合理。可能是由于光源本质还是一个点光源,即使通过光纤(圆柱体)后光线也没能有效匀化所致。那么,换一个光源类型,比如半导体光源 Source diode会不会更好一些。如图18-14所示,光源类型选择 Source diode,位置 z Postion设为-50.02,绘图光线数目Layout rays设为50,分析光线数目 Analysis Rays设为500000,发散角X- Di vergence、Y- DI vergence均设为12(匹配光纤数值孔径),其他参数默认即可。如此设置,获得的数值孔径NA差不多也为0.2的光源ε然后同样在光纤输出端、距离光纤端面0.5mm的位置放置一个探测器,检测输岀光线分布情况,探测器像素500,尺寸要比预测光斑尺寸略大一些(一般2倍即可)。更新3D光路结构图,放大观察光纤入射端和输出端的光线情况,分别如图18-15和18-16所示,可见都还比较正常,没有溢出光线,输出发散角也比较合理。《 Matlab辅助激光光学分析与应用》作者出品Zemax激光光学设计实例应用—自学案例汇编object TypeComment Position Material+ I ayout.*Analysi.Source diode0,U∠0object Type Astigmatismx-Diver ge.X-superGa.Y-Diverge.Y-superGasource D1 odel0.0D012.000.0112.0000.01图18-14导体光源参数设置图18-153D光路结构图-光纤前端图18-163D光路结构图-光纤输出端《 Matlab辅助激光光学分析与应用》作者出品Zemax激光光学设计实例应用—自学案例汇编311,忌HL428,总5732屮9,"F31之18,28187,1H6」5s.92712,3白占2,3日318H1JE TEG TOR工MRGE:Cu仨RENT工 CERO LHNGELD: YAG BERM DELIVERY SYSTE1灯T职R1, NSCE RFACE L江正区W翼四,HM工能防,PXL5E的日H.ILHT=8工RRRL工FNCE:3,1L8HE+2H^2TOTHL PERB,5551E-图18-17探测器光线分析-光线输出端(相干模式)H⑦13屮131忌3L7s叫sDETECTOR工MRGE:工 COHEZET工RRR囗工FCEHG BERM DELIVERY SYSTE正 TECTOR10. NSCG EURFACE LX,啦H工能TE,PX555H而HT=第83工 H:z:22SrCH+图18-18探测器光线分析-光线输出端(非相干模式)《 Matlab辅助激光光学分析与应用》作者出品
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（师汉民）机械振动系统_上
（师汉民）机械振动系统_上,优秀研究生教程内容简介本书讲述现代振动工程中有关振动系统的分析测试建模与对策方面的基础理论、基本知识以及常用的方法和技巧。全书分上下两册,上册(基础篇)包括单自由度与多自由度系统振动的基础知识随机激励下的振动振动系统的测试辨识与建模振动的抑制与利用;下册(深化篇)包括分析动力学基础,多自由度系统振动分析的常用方法连续系统与非线性系统的振动,工程中的自激振动以及振动问题分析求解的计算方法本书注意联系工程实际,可作为机械类专业硕士研究生教材;其中上册也可作为本科生教材使用。此外,本书还可供工程技术人员参考AbstractThe fundamental theory, basic knowledge and the methodsand techniques most in use for analysing, measuring, testingmodeling and controlling vibration systems in modern vibrationengineering are discussed in this book. The book is devided intotwo volumes. the first volume(fundamental one) consists of ba-sic knowledge about the vibration of single-or multidegree-offreedom systems, vibration induced by random excitation, vibration measuring, testing, identifying and modeling, vibration suppression and vibration application, the second volume (deepen-ing one) is devoted to elements of analytical dynamics, the methods in common use for analysing vibration in multi-degree-of-freedom systems, vibration of continuous and non-linear systems, self-excited vibration in engineering and computation techniques for vibration problem solvingPaying attention to integrating theory with engineeringpractice the book may be used by the Master degree students inhe disciplines related to mechanical engineering as well as thefirst volume of the book can be used by the undergraduates as atextbook. Besides, the book can be used also by engineers or researchers as a reference book.“研究生用书”总序研究生教材建设是提高研究生教学质量的重要环节,是具有战略性的基本建设。各门课程必须有高质量的教材,才能使学生通过学习掌握各门学科的坚实的基础理论和系统的专门知识,为从事科学研究工作或独立担负专门技术工作打下良好的基础我校各专业自1978年招收研究生以来,组织了一批学术水平较高,教学经验丰富的教师,先后编写了公共课、学位课所需的多种教材和教学用书。有的教材和教学用书已正式出版发行,更多则采用讲义的形式还年印发。这些讲义经过任课教师多年教学实践,不断修改、补充、完善,已达到出书的要求。因此,我校决定出版“研究生用书”,以满足本校各专业研究生教学需要,并与校外单位交流,征求有关专家学者和读者的意见,以促进我校研究生教材建设工作,提高教学质量。“研究生用书”以公共课和若干门学位课教材为主还有教学参考书和学术专著,涉及的面较广,数量较多,准备在今后数年内分批出版。编写“研究生用书”总的要求是从研究生的教学需要出发,根据各门课程在教学过程中的地位和作用,在内容上求新、求深、求精,每本教材均应包括本门课程的基本内容,使学生能掌握必需的基础理论和专门知识;学位课教材还应接触该学科的发展前沿,反映国内外的最新研究成果,以适应目前科学技术知识更新很快的形势;学术专著则应充分反映作者的科研硕果和学术水平,阐述自己的学术见解。在结构和阐述方法上,应条理清楚,论证严谨,文字简炼,符合人们的认识规律。总之,要力求使“研究生用书”具有科学性、系统性和先进性。我们的主观愿望虽然希望“研究生用书”的质量尽可能高一些,但由于研究生的培养工作为时尚短,水平和经验都不够,其中缺点、错误在所难免,尚望校内外专家学者及读者不吝指教,我们将非常感谢。华中理工大学研究生院院长黄树槐1989.11本书是为华中狸工大学顾士研究生的学位课程“机械扳动所编写的教材。此课裎旨在鄣助研究生掌握机械振动的基础理论、基本测试、建模技能与分析计算方法,培养他们对机械系统和工程结构进行振动分析与控制、有效地处理机械工程中各种振动问题的能力为实現上述目的,本书力图在“少而精”的前提下覆盖机械工程类的碩士研究生在他们未来的工作中为处狸种种动态分析与振动控制问题,可能需要的基础理论、基本知识以及常用的方法和技巧。我们试图突破现有机械振动方面的书藉或教材的一般体系,而将现代振动工程中有关振动系统的分析、测试、建樸与对策方面的知识组织成为一个有机的整体,供研究生学位课程教学之用。本书以机械类工科专业本科的课程(理论力学、材杵力学、高等数学和工程数学)作为起点,在取材与编排上有以下特点:突出联系工程实际的观点,在遵循振动学科的基本体系、讲清振动科学的基础理论的同时,注意阐述有类理论、知识和方法的工程背景与实际意义;注意反映由于电子计算机在振动分析中的广泛深入的应用而发展起来的一些新的方法与技巧在适应于教材的容蚤与深度的范围内,本书还介绍了作者近年来在金属切削机床自激振动的非线性理论及其在缀监控技术方面的主要研究成果,作为工程实际中的动问题的分析与处理之例全书分上下两册,上册(基础篇)包抬单自由度与多自由度系统振动的基础知识,随机激励下的扳动,振动系统的测试、铧识与建模,振动的抑制与振动的利用;下册〔深化篇)包括分析力学基础,多自由度系统振动分祈的常用方法,连续系統与非线性系统的振动,工程中的自激振动以及振动问题分析求解的计算方法在叙述方法上我们尽力注意突出重点,讲清难点,分清层次,以利教学!特别是注意以启发诱导的方式,激发研究生的学习兴趣,引导他们去钻砑与理解。在每幸之末灼附有若干思考题》,这些思考題“貌似简单”,其实并不容易,它们有助于都助学习者澄清模糊概念,并激发学习兴趣。在书末附有各章思考题的答案,但我们希望读者在经过认真思考以后,再去查阅答案。各幸之后还附有若干习题,供读者选作。按照我们的教学经验,如果讲授得法,而且研究生们能努力学习,积极配合,那么80学时已足够讲授本书的基本内容,课内外学时之比约为1:2。如果研究生们在本科期间已修有关振动方面的课程,则可略去第一篇,而由第二篇开始讲授,大约40~60学时已能讲完。本书第一篇(笫一至笫七章)还可作为机械类专业大学本科生的必修戌选修课教材,约需40~60个课堂学时。本书除作为教材之外,还可供从亨机搋产品与机械设备的振动测试、分析、押制或利用等方面工作的广大工程技术人员作为技术参考书。谌刚与吴雅参与了这门课程的教学实践与大纲制订,并分别捉供了第三、四、六、七、九幸与第一、二章的初搞,全书由师汉民编写与修改、定稿。谌刚与吴雅负贡盤理、校核全书的文字、公式与插图。伍良生校阅了部分章节,并提出了宝贵建议。周辉、张保国与刘国祥为塔写书稿付出了辛的劳动。杨叔子教授对于这门课程的开设与教材编写给与了热情的支2·持和关怀。枉润生为本课程的实验开设作出了贡献。邓星钟、卢文祥等同志郗为此課程教学活动的正常进行付出了劳动。限于编者的水平,书中定有许多不恰当甚至错误之处,切望读者批评指正。编者1990年11月28日3目录绪论(1)第一篇基础篇●·鲁鲁命◆·鲁●第一章单自由度线性系统的自由振动…(9)§1.1振动系统的简化及其模型……………………(91.2单自由度线性系统的运动微分方程…(22)§1.3无阻尼系统的自由振动……………………(27)§1.4有阻尼系统的自由振动………………6(42)第二章单白由度线性系统的强迫振动………………(56)s2.1谐波激励下的强迫振动………………………(56)S22周期激励下的强迫振动, Fourier级数法……(74)S2.3非周期激励下的强迫振动, Fourier变换法(85)s24非周期激励下的强迫振动脉冲响应函数法…(92)§25冲击与系统的冲击响应…(104)第三章两自由度系统的振动…(113)§31两自由度振动系统的运动微分方程…………(113S3.2无阻尼系统的自由振动,自然模态………………(116§3.3坐标变换与坐标耦合………………(123)§34自然坐标……………………………………(126)§3.5拍击现象…(129)§36两自由度系统在谐波激励下的强追振动…自备口▲▲自自鲁晶自目●(133)第四章多自由度系统振动的基本知识…………………(142)§4.1广义坐标(143)§4.2线性系统的运动方程及其矩阵表达式………………(144§43线性变换与坐标棵合(152)§4.4无阻尼自由振动特征值向题…(154)§45模态向量的正交性与展开定理160)4.6系统对初始激励的响应…(165)s47影响系数,系统机械能与互易定理……………………·(169§4.8系统矩阵、动力矩阵(176)§4.9有阻尼多自由度系统的自由振动…(179)s4.10多自由度系统的一般响应……………………(183)§4.11多自由度振动系统的几种特殊情况………………………(188)第五章随机激励下的振动…(205)§5.1引言●●鲁●幽L自。◆·申费●鼻……………·(205)§5.2随机过程的基本概念……………………………(207)§5.3线性系统对于平稳随机过程的响应(228)§5.4随机过程的联合性质………………………(236)§5.5多自由度系统对于随机激励的响应…………………(243)§5.6窄带随机过程分析………………………………(256)第六章振动系统的测试辨识与建模(271)S6.1振动测试传感器■血■●·自命鲁■■自着鲁自▲吾鲁DD命甲舀省聊即晕●聊鲁看看■■·■■(272)§6.2激振器……………………(283)§6.3振动测试系统命昏●看◆血鲁··。。●■●Da(286)§6.4模态参数识别…………………"(293)§6.5物理参数识别与修改…………………………………(305)第七章振动的抑制与利用(317)§7.1抑制振源…………………………………………(317)§7.2隔振………………………(331)§7.3减振…·(338)S7、4振动的主动控制…………………………(353)s7.5振动的利用…………………(358)思考题参考答案………………(368)2
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