[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） _Dv^~e1c  
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
l642#Gh  
0Nfj}sXCWE  
h Na<LZ  
简述案例 rx"zqm9 }u  
K$Ph$P@  
系统详情 j{PX ~/
 
 光源 :)z_q!$j  
- 强象散VIS激光二极管
cQR1v-Xt  
 元件 g[$B90  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） qq`RfZjL  
- 具有高斯振幅调制的光阑 ^#4s/mdVO  
 探测器 1m0':n Vdu  
- 光线可视化（3D显示） i~;8'>:|,M  
- 波前差探测 fin15k  
- 场分布和相位计算 A"'MRYT`  
- 光束参数（M2值，发散角） i_MI!o  
 模拟/设计 aI<~+]  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ,jn?s^X6Dj  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： Vt
O+=mZV  
 分析和优化整形光束质量 U,=K_oBAq  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 2 zy^(%a  
Q@8[ql1l  
系统说明 g{%';  
)=D&NO67Pq  
JvDsr0]\#  
模拟和设计结果 ]VvJ1Xn0  
>$y >  
数值探测器结果 R+K[/AA  
{OOt+U!  
(yP55PC O$  
@I&"P:E0F;  
+[ItkfSod!  
总结 ;i9CQ0e?  
wL
tTC4D  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 qo@dFKy  
1.模拟 a%dx\&K  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 h
,x]  
2.评估 z+*Z<c5d  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ,<1*  
3.优化 .6K>"  
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%%`wmG)"  
4.分析 `y`xk<q  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 k3 l  
q8Dwu3D  
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。 V5B-S.i@  
^aXBt  
详述案例 RY{tX`  
qN@a<row&~  
系统参数 rg,63r  
qedGBl&  
案例的内容和目标 [R4x[36Zp  
H#inr^Xa  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 GcR`{ 3hO  
4*x!B![]y  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 5-^%\?,x  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 W[Bu&?h$  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 oui!fTy  
u7?juI#Cl  
模拟任务：反射光束整形设置 g5Rm!T+@I<  
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。 FE}!bKh  
:eW~nI.Vc  
bSf
(DSqx  
|lxy< C4V  
Nz*sD^SJa  
"!tw ,Gp  
规格：像散激光光束 9Yyg}l:  
zU~..;C  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 #[y<h3f]  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 <(4#4=ivP  
|A0$XU{  
ht)nx,e=  
-vHr1I<  
N@6OQ:,[F  
P/Kit?kngS  
规格：柱形抛物面反射镜 `mjx4Lb  
                         toqzS!&.v  
 有抛物面曲率的圆柱镜 e({fY.)SGo  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 Wk\@n+Q{]  
 曲率半径等于焦距的两倍 {~fCqP.2  
YM`pNtQ  
@b\ S.  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） A&c@8  
cTd;p>:>m  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 vt@Us\fI  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） EWIc|b:  
 离轴角决定了截切区域 {|Ki^8h/p  
45sxF?GSwL  
规格：参数概述（12° x 46°光束） iN_D8dI  
XcMJ
D(!  
   9xn23*Fo  
BD7@Mj*|  
光束整形装置的光路图 _]xt65TL  
4iNbK~5j  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 x$GsDV  
 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。 +}QBzGW`  
NOr <,  
反射光束整形系统的3D视图 {R-82%X  
oL Vtu5  
@f{_=~+  
Hp
}  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 b/B`&CIA0"  
 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）。 [OZ=iz.  
u'i%~(:$\)  
详述案例 i*CQor6|z  
6lmiMU&V  
模拟和结果 j;20JA/b  
{kPe#n>xT  
结果：3D系统光线扫描分析 #)0Tt>d6  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 Bw<zc=%  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 7~"(+f  
(X(1kj3  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 5m^Hi}S_  
U2V^T'Y[  
使用参数耦合来设置系统 
&.Latx  
58&{5YpS  
自由参数： d"I28PIS"  
 反射镜1后y方向的光束半径 3XwU6M$5g  
 反射镜2后的光束半径 *el(+ib%  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 8b 8\  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 *i?rJH  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 m0j|58~  
cc41b*ci$  
r|^lt7\  
C~{NKMeC/m  
5, -pBep<  
LiZdRr  
自由参数： LgP>u?]n  
 反射镜1后y方向的光束半径 kqD*TJA  
 反射镜2后的光束半径 i)7n
c  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） g={]Mzh  
 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。 l*K I  
)d}H>Qx=  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 {jOzap|  
T2DF'f3A  
]bTzbu@  
结果：使用GFT+进行光束整形 3J'73)y  
"($Lx  
N^h|h  
*%X6F~h(u  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 VyecTU"W  
q]"2hLq
  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 B;z;vrrL  
V(;55ycr  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ;Y'8:ncDn  
GS ;HtUQ  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： 7~wFU*P1  
]8$#qDS@  
EqD^/(,L2  
/!=U+X  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd M=5d95*-}  
[)#u<lZ<~  
结果：评估光束参数 tYs8)\{  
t_dcV%
=  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 WI1T?.Gc   
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 vG]GQ#  
C-llq
`(d  
SU%mmwES3  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 6OL41g'  
 M2值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M2值是由光束偏离引起的） -7>^ rR V  
I&L.;~  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd )v%l0_z{  
AL>c:K)qO  
光束质量优化 I@n*[EC   
&Nc[$H7<  
 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。 4|[<e-W  
 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）。 (VgNb&Yo9  
QVIcb;&:}  
结果：光束质量优化 gjW\ XY  
X<(6T  
 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。 vO\:vp4fH  
a9[mZVMgUK  
Y!SE;N&  
}>2t&+v+  
 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。） Z6 ;Wd_  
>n]oB~P%  
b-PSm=`  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd oZgHSRRL  
9khjwt  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 Le*`r2  
gs?8Wzh90*  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 /@VsqD  
8tU>DJ}0  
 这意味着参数变化是的正态 d]U`?A,  
v@VLVf)>9^  
i8K_vo2Z)  
   (Aorx #z  
 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。 jz*0`9&_  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 hjkLVL  
zm>>} 5R  
z. 'Fv7  
Us'Cs+5XcG  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run # Mu<8`T-  
Q|?'(J+  
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） ~p:?QB>1]  
<PX.l%  
j_p
`Ng  
Z:!IX^q;}n  
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。 :$Q`>k7A  
}3Qc 24`  
总结 x|8^i6xB  
6D|p Qs  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 JnY$fs*"  
1.模拟 _Hc%4I  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Qlw>+y-i  
2.研究 2HD:JdL  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 F>*{
e  
3.优化 Zae.MO^C!  
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。 \^jjK,OK  
4.分析 Goxl3LS<  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 @Gt`Ds9=  
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。 3f"C!l]Xu  
`{[RjM`  
参考文献 SrFx_n  
[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). b]T@gJ4H=  
++b$E&lYU  
进一步阅读 w9MoT.kI}  
/
2xSNalC  
进一步阅读 J/vK6cO\  
 获得入门视频 qw<HY$3=  
- 介绍光路图 Xwt`(h[u  
- 介绍参数运行 1fH<VgF`  
 关于案例的文档 h$`#YNd'  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens Huc|6~X  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens Zyu/|Og  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing X3',vey  
- 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