[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） h,&{m*q&  
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 %zY5'$v`  
l+&DBw[  
Yc6.v8a  
简述案例 icIWv  
\i-CTv6f  
系统详情 e, 2/3jO  
 光源 ^^!G{*F  
- 强象散VIS激光二极管 KrG,T5  
 元件 +!ljq~%  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） nvwf!iU6  
- 具有高斯振幅调制的光阑 *CQZ6&^  
 探测器 FAc^[~E  
- 光线可视化（3D显示） KlS#f  
- 波前差探测 j$lf>.[I  
- 场分布和相位计算 4bw4!z9G  
- 光束参数（M2值，发散角） W?wt$'  
 模拟/设计 | X#!5u  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 (xTGt",_Jo  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： ^[bFGKE  
 分析和优化整形光束质量 -w"lW7
 
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 t\YM Hq<Y  
kmu`sk"  
系统说明 O x`K7$)  
6;s[dw5T  
=w`uZ;l$Q  
模拟和设计结果 7p!ROl^  
0,@^<G8?  
数值探测器结果 Val"vUZ  
bd%< Jg+  
a-FI`Dv  
aqQ+A:g  
|dqESl,2  
总结 T2rBH]5  
(@!K tW  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 }f}?|&q  
1.模拟 y4IQa.F  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 .Oc j|A6  
2.评估 PXtF#,roP  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 UA~ 4O Q]  
3.优化 |`o1B;lc  
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。 @K*W3&TO  
4.分析 lEHXh2  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。  !j%  
xw_)~Y%\  
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。 q`L)^In"  
o_k)x3I?  
详述案例 |s
Fd5X  
ns\I Y<Yo  
系统参数 r7?nHF  
{29aNm  
案例的内容和目标  |xg#Q`O  
T!41[vm(  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 m`q&[:  
sSGXd=":  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 m2l9([u=^  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 z6d0Y$A G  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 +U_1B%e(%  
A! HJ  
模拟任务：反射光束整形设置 M&faa7  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 I"3C/ pU2  
puWMgvv  
SVd@- '-K  
G'w!Aws  
~$[fG}C.K  
qAbmQ{|w  
规格：像散激光光束 aL90:,V  
Tl[*(|/C  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 8{i}^.p  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 [ @"6:tTU  
C^B$_?  
k_1@?&3  
`]6<j<' ,  
kMnG1K  
r[;d.3jtP  
规格：柱形抛物面反射镜 xJ. kd Tr  
                         q%$p56\?3  
 有抛物面曲率的圆柱镜 Pz:,de~5Qm  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 lfC]!=2%~8  
 曲率半径等于焦距的两倍 * O?Yp%5NH  
@sg.0GR  
Ab j7  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） aL+>XN  
3^y<Db  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 w4TQ4 Y  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） q6nRk~  
 离轴角决定了截切区域 } -;)G~h/"  
es#6/  
规格：参数概述（12° x 46°光束） oS9Od8  
Avi_]h&  
   vS0 ii  
Gs3V]qbEP  
光束整形装置的光路图 X_@|+d  
Mz2TwU_  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 Q25VG5G  
 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。 y1PyH  
Cfd* Q  
反射光束整形系统的3D视图 -PSgBH[  
=QtFJ9\  
qA`@~\qh"  
2Zuo).2a.  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 R"P-+T=7M  
 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）。 "uIa
K
b  
Y.Z:H!P);$  
详述案例 },JJ!3  
0\ (:y^X  
模拟和结果 <y^_&9  
BYM6cp+S  
结果：3D系统光线扫描分析 L_vl%ii-  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 h ka_Fo  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 pl1CPxSdO  
Bh cp=#  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd W~D_+[P|_  
8Ala31  
使用参数耦合来设置系统 J-dB  
v7./u4S|V  
自由参数： xt,Qn460;  
 反射镜1后y方向的光束半径 j"h/v7~  
 反射镜2后的光束半径 -q{N1?tcy  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） \DZ.#=d  
 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。 XJ3sqcS  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 JRFUNy1+e1  
3s%ND7!/  
*OFG3uM  
=VuSi(d;e{  
9+N%Io?!  
`
}=R  
自由参数： 2m yxwA5  
 反射镜1后y方向的光束半径 D0p*Sg  
 反射镜2后的光束半径 9ABU^ig  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） o|z@h][(l(  
 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。 k
"&o)*d  
|R@T`dW  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 Ta?}n^V?;  
+@3+WD  
*1`X}  
结果：使用GFT+进行光束整形 0,ryy,2  
,jis@]:  
Y 2ANt w@  
lNg){3  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ~r8<|$;  
#Iz)Mu  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 -9= DDoO  
\uPz
j_kU6  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 jmr .gW  
Fk3(( n=  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： %hYgG;22  
A3_p*n@  
qD>^aEd@4  
LPt9+sauf1  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd o$.#A]Flb  
[C6ba{9B  
结果：评估光束参数 Hm'"I!jyO  
$]E+E.P  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。
k"i3$^v8  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 TxG@#" ^g}  
fIQ,}>  
CipDeqau2  
 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。 $Xlr@)%  
 M2值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M2值是由光束偏离引起的） 2'S&%UyP  
"E2 0Y"[h  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd kMch   
uM[|>t  
光束质量优化 xNOKa*  
@L!^2v  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 8~C}0
H  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 *2a"2o  
S^pb9~  
结果：光束质量优化 3i!a\N4 K  
C 6 \  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。 "73y}'  
%[*-aA  
a`w=0]1&*  
"crR{OjE"  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） KZ7B2  
z U[pn)pe  
Zwc&4:5%  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd tz;o6,eb  
GE!nf6>Km  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 # `E  
9S]pC?N]E  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 qK%N{ro[{?  
Opu*i  
 这意味着参数变化是的正态
% E1r{`p  
[#gm[@d,  
,nteIR'??  
   'W_NRt:  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 /8qR7Z^HZ  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 _D4qnb@  
'/HShS!d  
L.@$rFhA  
c2g
[w;0"  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run Q;3`T7  
fKY-@B[|  
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） WMtFXkf6"  
/(s |'"6  
PM84Z@Y  
*bFWNJ}`q  
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。 c.]QIIdK  
O6y:e#0z  
总结 (}X5*BB&  
aYa`ex  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 _)5E=  
1.模拟 GqCBD-@4v.  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Zt9G[[]  
2.研究 K@1gK<,a  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 ENhLonMeV  
3.优化 R&W%E%uj  
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。 5"nq h}5  
4.分析 n^[a}DX0  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 9]=J+ (M  
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。 p4z4[=-:  
H[KX xNYZ_  
参考文献 %W D^0U|  
[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). $5G(_   
3<XuJ1V&  
进一步阅读 a+LK~mC*  
O"~[njwkE  
进一步阅读 dM^EYW  
 获得入门视频 yGtTD9j  
- 介绍光路图 L3I$ K+c  
- 介绍参数运行 :& Dv!z  
 关于案例的文档 JR`$t~0t  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens K9xvog  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens h!SsIy(  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing F;#$Q  
- 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