[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） T'&I{L33Y  
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 6qaQ[XTxf  
aL%AQB,  
#=f?0UTA  
简述案例 5sJJGv#6  

&twf,8  
系统详情 Q=T&  
 光源 ^!
z[t\$  
- 强象散VIS激光二极管
 H77"  
 元件 yo)%J  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） ;@Z#b8aM}  
- 具有高斯振幅调制的光阑 Vq;A>  
 探测器 G *;a^]-  
- 光线可视化（3D显示） D-(w_$#  
- 波前差探测 "zFNg';  
- 场分布和相位计算 z3M6V}s4  
- 光束参数（M2值，发散角） rKf-+6Na  
 模拟/设计 JJ'.((  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 *2Ht&  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： rJ{O(n]j  
 分析和优化整形光束质量 aKuSd3E@#  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 c8
>hcV  
q51Uf_\/  
系统说明 nwaxz>;  
)5U[o0td  
78OIUNm`  
模拟和设计结果 ANSFdc  
g
lXZZ=j  
数值探测器结果 mPP`xL?T  
$.v5~UGb{\  
7{qy7,Gp  
q]N:Tpm9  
C[Dav&=^F  
总结 x,S P'fcP  
) ^3avRsC  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 hQHnwr  
1.模拟 _b.qkTWUB  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 <_Q:'cx'  
2.评估 z;wELz1L{  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 snnbb0J
 
3.优化 7=OQ8IM!  
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。 P*Tx14xe4  
4.分析 K/=_b<  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 Z(_ZAB%+D  
i'wAE:Xe  
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。 deixy. |  
JPWOPB'H  
详述案例 &F5@6nJ`  
(S`2[.j
 
系统参数 `z )N,fF  
aKJQm'9Ks  
案例的内容和目标 1`9xIm*9w  
]mXLg:3B  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 9Q-*@6G  
M7+h(\H]2  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 GMZv RAui  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 7ei|XfR  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 /?1nHBYPM  
G
kxj?)`  
模拟任务：反射光束整形设置 m7GR[MR  
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。 z.VyRBi0  
4T<Lgb  
dG71*)<)t  
8Bq!4uq\5|  
[j:[  
-TOIc%  
规格：像散激光光束 "y<?Q
}1  
dk<XzO~g  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 Q\,o:ZU_  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 -}6xoF?  
i^!ez5z  
V$rlA'+1v  
)&<=.q  
iTg;7~1pY  
~E^,=4  
规格：柱形抛物面反射镜 N#_GJSG_|  
                         5rV((  
 有抛物面曲率的圆柱镜 ulJX1I=|p  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 2',w[I  
 曲率半径等于焦距的两倍 ?kz+R'  
yj(vkifEB  
wB{;bB{  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） H<G4O02i_  
(x$9~;<S*d  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 iIGbHn,/  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） v^7LctcVm  
 离轴角决定了截切区域 e~T@~(fft  
q0bHB_|wL  
规格：参数概述（12° x 46°光束） &h,5:u  
aRJ>6Q}  
   LR,7,DH$9'  
EIf~dOgH  
光束整形装置的光路图 hwDbs[:  
F("#^$  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 ]k8/#@19  
 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。 GBC*>Y  
}Y17*zp%  
反射光束整形系统的3D视图 TV}}dw  
35*\_9/#  
'snYu!`z  
uGl| pJ\y=  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ,[nm_^R*\  
 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）。 *X38{rj  
qJ_1*!!91  
详述案例 ro[Y-o5Q0  
KZBrE$@%5  
模拟和结果 g+C!kaC)  
TjBY 4  
结果：3D系统光线扫描分析 jUqy8q&  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 i$KpDXP\  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 sF+=KH  
=N|kn<h4  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd &wetzC)  
oAZh~~tp  
使用参数耦合来设置系统 ?oiKVL"7  
2n`Lg4=  
自由参数： m!OMrZ%)}  
 反射镜1后y方向的光束半径 SgE/!+{  
 反射镜2后的光束半径 1
[;@AE2Y  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） oT|m1aGE  
 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。 bO/*2oau  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 
WnAd5#G  
- n6jG}01b  
X
DD<oo  
y/@iT8$rp  
&VWlt2-R0h  
3|Y!2b(:?  
自由参数： 7=*VpX1  
 反射镜1后y方向的光束半径 ]wuy_+$  
 反射镜2后的光束半径 .#5l$['  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） I2HT2c$  
 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。 WO,xM
fK  
y0
2u?wJ  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 wX'}4Z=C~  
yD)"
c.  
;' e@t8i6  
结果：使用GFT+进行光束整形 ,dd WBwMK  
}1%r%TikY  

Nl8 gK{  
 c!uW}U_z  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 fV ZW[9[  
?Cci:Lin  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 <5Mrp"C[i  
I/UQ'xx  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 `!w^0kZ  
Eo{EKI1  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： 4^!4eyQ^  
K
v+Bfh  
!g0cC.'  
IvW@o1Q  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd CJqc\I~  
KC&`x|  
结果：评估光束参数 ^@}#me@  
~r`Wr`]_z  
 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。 BGjb`U#%3  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 FUaNiAr[  
'.p? 6k!K  
WSI Xj5R  
 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。 t^@T`2jL  
 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） hswTn`f  
A'"-m)1P  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd P&t;WPZ  
GFR!n1Hv  
光束质量优化 =[(1my7  
H,>#|F  
 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。 K~>jApZ%  
 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）。 AQci,j"  
J`Oy.Qu)  
结果：光束质量优化 A'DVJ9%xB  
s[-]cHQ  
 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。 1-$P0  
-fux2?8M  
.k]#XoE  
YhgUCF#  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） v"k4ATWP  
9oq)X[  
La}o(7=s  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd &`PbO  
C.E[6$oVc  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 B/Ba
5z"r$  
~R!gJTO9  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 uiK:*[  
%}F"*.  
 这意味着参数变化是的正态 @Qo,p  
n|]N7 b'  
kukaim>K  
   @9_)On9hZ  
 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。 j_pw^I$C  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 [s %\.y(q  
WOH9%xv  
X RRJ)}P  
4qBY%1  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run /'Bdq?!B&  
J3\)Jy  
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） fMB4xbpD  
kv%)K'fU4  
s=\7)n=,M  
R1 qMg
+  
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。 Spc&X72I  
QX/]gX  
总结 KW:r;BFx  
Q=XA"R  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ok=40B99T  
1.模拟 DJJZJ}7  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 XbXgU#%  
2.研究 %o-jwr}O{  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 >%i9oI<)  
3.优化 ZE ^u.>5  
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。 />!!ch  
4.分析 n%U9iwJ.  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 g$gVm:=  
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。 iDR6?fP  
_6J<YQK  
参考文献 N  I3(  
[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). ^~*8 @v""  
&X7ttB"#h  
进一步阅读 S r[IoF)  
o5V`'[c  
进一步阅读 ^s.oZj q  
 获得入门视频 @6[x%j/!bt  
- 介绍光路图 (mY(\mu}  
- 介绍参数运行 eAU"fu6d  
 关于案例的文档 u-1@~Z  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens %y3:SUOdx  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens hF9B?@n?B  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing o8m
o=V4j  
- 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