[分享]VirtualLab运用：反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） `_{'qqRhe  
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 ;u;YfOr  
?>47!):-*  
j^A0[:2  
简述案例 Bv
x%|:R  
<p<jXwl  
系统详情 b~\gV_Z  
 光源 =IBdnEz:M  
- 强象散VIS激光二极管 dP0!?J Y  
 元件 B.2F\ub g  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） MsOO''o  
- 具有高斯振幅调制的光阑 Zf;1U98oC  
 探测器 ]9z{ 95  
- 光线可视化（3D显示） b6=.6?H@4f  
- 波前差探测 S3nA}1R  
- 场分布和相位计算 n y6-_mA]  
- 光束参数（M2值，发散角） 2%g)0[1  
 模拟/设计 ?! dp0<  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 H?8uy_Sc  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： \ ?['pB  
 分析和优化整形光束质量 s+?r4t3H!  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 @ -pi  
=]x FHw8A  
系统说明 YIs(Q
 
#p~tkQ:'1  
^!^8]u<Q  
模拟和设计结果
%)_R>.>  
_[h1SAJ  
数值探测器结果 hnS ~r4  
E@QsuS2&  
!!f)w!wW  
Er} xB~<t  
"^~f.N  
总结 Bt|S!tEy  
ry}CND(nB  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 *EOIgQp  
1.模拟 >69xl^Gd  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 xin<.)!E  
2.评估 FCQIfJ#  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ' U{?"FP  
3.优化 B&|F9Z6D  
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。 R(@7$  
4.分析 ]od]S8$5  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 7QL>f5Q
 
w'ZL'/d  
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。 3EB8ls2  
k!O#6
Z  
详述案例 |0n h  
 ~d_Z?Z  
系统参数 uy{mSx?td  
%*]3j^b Q+  
案例的内容和目标 2;.7c+r0  
=3lUr<Ze  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 O-:#Q(H!  
[(}f3W&  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 PH97O`"  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 rs2~spN;h  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 a?E]-Zf  
Lhu2;F\/  
模拟任务：反射光束整形设置 ZN5\lon|Y  
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。 D:'|poH  
#B:J7&@fn  
2qKo|'gL`  

KbVV[ *  
3JEH sYxs  
NS6Bi3~  
规格：像散激光光束 fHYEK~!C04  
Z'<=06  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ymXR#E  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ]"q[hF*PM  
gt6*x=RCrQ  
:^lyVQ%@  
l*("[?>I  
U#1T HO`  
^"K
 
规格：柱形抛物面反射镜 qdm5dQ (c  
                         <M=U @  
 有抛物面曲率的圆柱镜 ?/)Mt(p  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 O[y.3>l[s  
 曲率半径等于焦距的两倍 |f'U_nE#R/  
W&}YM
b  
L7_Mg{  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） vlIet$k  
3SVI|A5(d  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 %m!o#y(hD`  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） )<9g+^  
 离轴角决定了截切区域  >>Hsx2M  
zC!]bWsD  
规格：参数概述（12° x 46°光束） =#n05*^  
C\dQ6(3}\  
   8^&)A b  
f!e8xDfA  
光束整形装置的光路图 p9XHYf72  
-r]s #$  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 +|r;
t  
 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。 W
!.UMmw`  
$$<9tqA  
反射光束整形系统的3D视图 >BMJA:j  
7<x0LW  
: RnjcnR  
vLDMa>  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 t= "EbPE  
 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）。 *pw:oTO  
u!oHP  
详述案例 pZ+zm6\$  
 Usk@{  
模拟和结果 U# Y?'3:  
{z|0Y&>[=  
结果：3D系统光线扫描分析 39S}/S)  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 Run)E*sf  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 s2_j@k?%  
~^$ONmI
5  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd R+P,kD?  
LPb43  
使用参数耦合来设置系统  /8Bh  
JxiLjvIq  
自由参数： 8\!0yM#yK  
 反射镜1后y方向的光束半径 R}llj$?  
 反射镜2后的光束半径 qc|;qPj   
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） %Gl,V5z&  
 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。 4?><x[l2{  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 Hlp!6\gukp  
eT[,k[#q  
s!nFc{  
?JzLn,&  
]2QZ47  
)J<Li!3  
自由参数： knh^q;q*  
 反射镜1后y方向的光束半径 LT!.M m  
 反射镜2后的光束半径 u]@``Zb|  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） G'

MYTq  
 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。 A;1<P5lo  
vlw2dY@^  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 Of7j~kdh83  
-0YS$v%au>  
p+snBaAo}  
结果：使用GFT+进行光束整形 S"CsY2;  
37?%xQ!  
P-K\)65{Y  
FgE6j;  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ,8;;#XR3  
,@
R~y  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 ?=_l=dR  
(:,N?bg  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 L q'*B9  
qeQTW@6 F  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： .ZxSJ"Rk  
#?}k0Y  
&?9p\oY[  
`XP]y=  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd %g5weiFM  
(+4gq6b  
结果：评估光束参数 {{ R/:-6?@  
K*'(;1AiW  
 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。 t&mw@bj  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 {O5;V/00}  
A~
\:}PN  
(
nbqL+  
 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。 p W:[Q\rSj  
 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） qdCa]n!d  
.oO_x>  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd :)g=AhBF  
<uU AAHi  
光束质量优化 1FjA  
|bi"J;y  
 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。 !R//"{k0?  
 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）。 ~ I]kY%  
Kk!D|NKLC  
结果：光束质量优化 &~6Z)}  
bo 
<.7  
 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。 K~
+y<z E  
?WG9}R[qE/  
%~4R)bsJ'  
+"?K00*(  
 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。） uB 6`e!Q  
M86
v  
ykRKZYfsw(  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd W+H27qsv  
v8y77:  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 G( nT.\  

x|U]x  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 g/lv>*+gS  
\$VtwVQ,b  
 这意味着参数变化是的正态 {3$ge  
7eQ7\,^H  
*Mg=IEu-6[  
   3`n5[RV  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 TcpD*%wW  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 _&XT =SW}  
>J3N,f  
_:c8YJEG{  
_66zXfM<  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run M_T$\z;,  
|B)e!#  
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） +{]/ b%P  
'#4ya=Ww  
 3i?{E^  
4oT25VH  
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。 WQv~<]1JF  
{Ylj]  
总结 \&2GLBKpe  
Q'*-gg&)  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 "o<:[c9/  
1.模拟 3yr{B Xn  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 L;,Nh  
2.研究 V F6OC4 K  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 &ad9VB7  
3.优化 R@=ve %a-  
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。 qoB  
4.分析 '}P)iS2  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 67 7p9{:  
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。 0Ny0#;P  
u<!!%C~+=  
参考文献 5>KAVtYvc  
[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). }s}b]v  
2i |wQU5w  
进一步阅读 /A_</GYs  
-66|Y  
进一步阅读 aZ*b"3  
 获得入门视频 (66X  
- 介绍光路图 &^ =t%A%#  
- 介绍参数运行 dvyE._/v  
 关于案例的文档 V,|l&-  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens K?-K<3]9f  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ;)0vxcMB  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing E2X KhW  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair

学习一下。

非常有用，谢谢！

很棒 学习一下！

讲的很详细

学习了