[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） oES4X{,  
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 I^itlQ  
WuUT>omH  
jhkNi`E7  
简述案例 PuoN<9 #  
$1bx\  
系统详情 vQhi2J'  
 光源 TB(!*t  
- 强象散VIS激光二极管 m0_B[dw  
 元件 &p6^   
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） fw+ VR.#2H  
- 具有高斯振幅调制的光阑 9G"-~C"e3  
 探测器 EGIwqci:  
- 光线可视化（3D显示） 4N{5i)  
- 波前差探测 ruTj#tWSo  
- 场分布和相位计算 '
&j]~m  
- 光束参数（M2值，发散角） n9x&Ws;  
 模拟/设计 fS?fNtD6<  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 :MbD=sX  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： ``* !b>)  
 分析和优化整形光束质量 SE<hZLd"  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 >$dkA\&p  
StWF66u34&  
系统说明 ?QfomTT  
Fl;!'1  
Jk3V]u  
模拟和设计结果 M+Jcgb]  
bhg OLh#  
数值探测器结果 [[8.Xb  
W
k*t-  
U**v'%{s  
Z4aK  
wc7F45
l4  
总结 Yvbk[Rb  
]53'\TH  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 2*1FW v  
1.模拟 _z(ydL*  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 \~ql_X;3  
2.评估 JU\wvP5j  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 )}i;OLw-  
3.优化 P<GHX~nB  
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。 gdVajOAu  
4.分析  }j /r  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 X=d;WT4,,  
JD1D(  
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。 =gb(<`{>  
}R]^%q@&  
详述案例 OP}8u"\Z  
sB>ZN3ptH^  
系统参数 J4;Fk  
jQ[M4)>_k`  
案例的内容和目标 )ls<"WTC.  
NDaM;`  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 ,)
JSXo  
aA/.EAc7  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 YDMimis\H5  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 F6h|AF|"  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 7/$s!pV  
~0~f  
模拟任务：反射光束整形设置 _Z|3qQ  
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?+MM0  
xHMbtY  
sXaIQhZ  
&^W91C?<6  
x3>PM]r(V  
%95'oW)lo  
规格：像散激光光束 cjel6 nj  
+5BhC9=b  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束  4[]/  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 P,[O32i#  
k)a-odNrb  
{,aI0bw;  
[Nn ?:5"
 
dq{wFI)  
CNiUHUD  
规格：柱形抛物面反射镜 %4Thb\T  
                         """gV)Y  
 有抛物面曲率的圆柱镜 01nbR+e  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 :z!N_]t  
 曲率半径等于焦距的两倍 G#pRBA^  
d* 6 lJT  
dw v(8  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） F9Ag687w  
l`vb  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 R]7-6  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ]$>O--  
 离轴角决定了截切区域 -K_p? l  
z|
V5/"  
规格：参数概述（12° x 46°光束） %dMP}k/  
W5_:Q@  
   @L-3&~=  
-H3tBEvoI  
光束整形装置的光路图 exqFwmhh  
R`F54?th  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 Qw{LD+r(  
 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。 .#,!&Lt  
|-HV@c]  
反射光束整形系统的3D视图 oT4A|M  
5xm^[o2#y  
!c+Nf2I7S  
p. eq N  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 H?~|Uj 6  
 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）。 e `!PQMLU  
ERO'{nT&  
详述案例 )Qe4J0.  
p`
)GO.pz  
模拟和结果 :)UF#  
w~NQAHAvo  
结果：3D系统光线扫描分析 H+`s#'(i_P  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。
QQso<.d&  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 P,x'1`k~  
)x/Spb  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd |&+0Tg~ZE  
cY|?iEVs)  
使用参数耦合来设置系统 iyF~:[8  
=kz(1Pb  
自由参数： Q2c|sK8  
 反射镜1后y方向的光束半径 .a%D:4GYR  
 反射镜2后的光束半径 k !S0-/h  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 0UEEvD5  
 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。 8,Jjv
*  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 =l_B58wrx  
7cGc`7  
]xlV;m  
L> ehL(]!  
M^c`j#NQ  
N02X*NC  
自由参数： ,GB~Cmc1<Q  
 反射镜1后y方向的光束半径 zI5#'<n  
 反射镜2后的光束半径 2sj
[hI  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 4+ BWHV  
 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。 nyyKA_#:5  
t6GL/
M4  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 PuvC MD  
UQ;ymTqdc  
q6h'=By  
结果：使用GFT+进行光束整形 zW^_w&fd^j  
x;&01@m.  
eI8rnp(Ia  
vUEG0{8l  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 (yjx+K_[  

"P)f,n  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 LU
Gyc( h  
Zl5cHejM  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 I}djDtJ  
O)y|G%O  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： A"(XrL-pV  
&cDLSnR  
qPEtMvL #  
J#h2~Hz!  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Aofk<O!M  
j_::#?o!/  
结果：评估光束参数 f)`_su U  
^}JGWGib=+  
 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。 G:$Ta6=  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 Tm!pAD  
MKqMH,O  
q]%eLfC(  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 [D!-~]5  
 M2值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M2值是由光束偏离引起的） T bMW?Su  
ETt7?,x@  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd =Q\z*.5j.  
dQX<X}  
光束质量优化 z_Em%
X  
;DQ{6(  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 #&fi[|%X$  
 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）。 ^|u7+b'|t  
05 P#gs`<  
结果：光束质量优化 RO>3U2  
|;~kHc$W  
 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。 v5 |XyN"  
tM&O<6Y  
I4[sf  
 rG#o*oA  
 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。） $1aJdZC7  

%2H0JXKa,  
Hz?C9q3BX  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd <ttrd%VW  
0\qLuF[)  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 "H{Etb/  
,\YlDcl':0  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 Sz!mn  
qDG{hvl[1r  
 这意味着参数变化是的正态 gLm ]*  
T0
:%,o  
.<#oLM^  
   U*P&O+(1'  
 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。 4Ss4jUj  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 K1
S:P( S  
Z2Q'9C},m  
h/'b(9fS  
:6}Zo  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run $N !l-lu=  
*Sd}cDCO%  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） LS"_-4I}  
y\a@'LFL  
3shRrCL0mf  
ID{62>R  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 %4bGI/\/  
9i6z p'  
总结 wwvS05=[T  
71S~*"O0f  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 L1Hk[j]X|  
1.模拟 dBWi1vTF  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ILN Yh3  
2.研究 nj90`O.K  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 AVn?86ri  
3.优化 3np |\i  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 ?*{Vn5aX{  
4.分析 u&M:w5EM  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 9$ VudE>;  
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。
pB;U*lt  
n]3Lqe;  
参考文献 sKg IKYG}T  
[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). U"qR6  
K2Z]MpLD  
进一步阅读 \!51I./Q/  
j1Ns|oph1  
进一步阅读 +hIC N,8!  
 获得入门视频 %%-?~rjI  
- 介绍光路图 k<Y}BvAYB  
- 介绍参数运行 xYLTz8g=  
 关于案例的文档 $D][_I  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens q PveG1+25  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens KbXENz&C  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing *GZ7S m  
- 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