[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） 5~k-c Ua  
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 lz\{ X  
{YZ)IaqZ  
SFoF]U09
 
简述案例 i0/gyK  
hRb k-b  
系统详情 T~8`{^  
 光源 W~p^AHco`  
- 强象散VIS激光二极管 EA7]o.Nm*{  
 元件 GJWC}$#TY  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） A>+5~u  
- 具有高斯振幅调制的光阑 5Zs"CDU  
 探测器 =bs4*[zq  
- 光线可视化（3D显示） seY0"ym&e  
- 波前差探测 ;hF>iw  
- 场分布和相位计算 +P|
$T:b  
- 光束参数（M2值，发散角） $m:}{:LDCf  
 模拟/设计 =sRd5aMs  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 a8M.EFa:  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： *{W5QEa  
 分析和优化整形光束质量 9 U1)sPH;  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 n4YEu\*  
C yC<{D+  
系统说明 j^KM  
W6'+#Fp  
)ZzwD]  
模拟和设计结果 J&^r}6D  
\F,?ptu  
数值探测器结果 H(Mlf  
V5KAiG<d  
xp/u, q  
0LoA-c<Ay  
v3S{dX<  
总结 H;*:XLPF  
X X{:$f+  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 L3Ry#uw  
1.模拟 OW)8Z60  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ec1
snMY  
2.评估 ~J)4(411  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ( NjX?^  
3.优化 v7O{8K+  
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。 [KWF7GQi  
4.分析 fouy??  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 S7aSUt!  
wX#\\Jgi  
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。 Y+upZ@Ga  
7`X"B*`~b  
详述案例 ksDG8^9>]  
Uo^s]H#:  
系统参数 b_V)]>v+  
FD|R4 V*3  
案例的内容和目标 LU?#{dZ  
=6  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 zF)_t S  
A6iyJFmD  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 5F^,7A4I0  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 2yq.<Wz<  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 4 CX*,7LZ  
XF^c(*5  
模拟任务：反射光束整形设置 EXa6"D  
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。 L8bq3Q'p  
z@~1e]%  
KN}[N+V>  

;i:Uoyi  
ip>dHj z  
Om}&`AP};  
规格：像散激光光束 Y#]Y$n  
i":-g"d  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 TlBLG.-^  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 b17p;wS  
&`>*3m(  
c |C12b[  
\Z+v\5nmO  
<wE2ly&x  
;F5B)&/B  
规格：柱形抛物面反射镜 *D<sk7  
                         0-|1}/{4  
 有抛物面曲率的圆柱镜 Do_L  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 //LXbP3/  
 曲率半径等于焦距的两倍 >F-J}P  
^<% w'*gR  
:A[bqRqe  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） (n`\b47  
Ok:@F/ v  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 xE6y9"}!h  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） F`u{'w:Hv  
 离轴角决定了截切区域 efbt\j6@%2  
P?0b-Qr$a  
规格：参数概述（12° x 46°光束） Tu6he8Q-  
Sl$dXB@  
   MfL q h  
zJ9,iJyuD  
光束整形装置的光路图 *Lh0E/5  
omRd'\ RO  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 5;|9bWH  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 V_ ]4UE  
%^5$=w  
反射光束整形系统的3D视图 Me`"@{r|#  
9J|YP}%  
hCo&SRC/5  
Y]Fq)-  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 7=<PVJ*/  
 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）。 \7C >4  
\JyWKET::_  
详述案例 't|F}@HP  
}pTj8Tr  
模拟和结果 DC$ S. {n  
FF_$)%YUp  
结果：3D系统光线扫描分析 NFa ;  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 i#-Jl7V[a  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 w"BTu-I  
)5&m:R9  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd n>eIQaV  
wR4P0[  
使用参数耦合来设置系统 e6_.ID'3  
{?jdPh  
自由参数： >WD^)W fa  
 反射镜1后y方向的光束半径 |Ji?p>\~  
 反射镜2后的光束半径 T.|0;Eb  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） H?~u%b@   
 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。 nRo`O  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 ~/#?OLj(T  
z`Q5J9_<cV  
CTI(Kh+  
7<tqT @c  
P"]+6sm&es  
%-*vlNC)  
自由参数： \W\6m0-
x  
 反射镜1后y方向的光束半径 CX:^]wY  
 反射镜2后的光束半径 .*f;v4!  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） u+R?N% EKP  
 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。 RXof$2CZS  
cwD0 ~B
 
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 o|}%pc3  
7]^ }  
6X jUb  
结果：使用GFT+进行光束整形 y-@!, @e
 
q-o>yjT~  
i&30n#  
jK=*~I  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 =ddx/zN  
"''<:K|  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 %1<p1u'r?#  
f|G7L5-  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 #wd \&  
B~aOs>1 S]  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： x2B"%3th0  
]q3Kd{B  
?rOb?cu-  
6P~"7k  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd [!q&r(-K  
*~cs8<.!1  
结果：评估光束参数 FezW/+D  
%~;Q_#CR/K  
 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。 [s34N+vU  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 w@ 5/mf?  
z\h+6FCD  
PHK#b.B>a8  
 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。 .apX72's,  
 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） @r]s9~Lx9  
yki k4MeB  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 5muW*7  
nMa^Eq#  
光束质量优化 vg.%.~!9  
M$W#Q\<*#r  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 }J?fJ(  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 >YBpB,WND  
Yq?I>  
结果：光束质量优化 by U\I5  
_tReZ(Vw  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。 >h[!gXL^  
uBTT {GGQ  
+.lWck  
4ufLP DH  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） 9sCk\`n  
?R]y}6P$  
uT/B}`md  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd D;I`k L  
T"H)g  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 IPVzV\o  
8T)zB6ng  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。
k2uiu  
9xQ8`7  
 这意味着参数变化是的正态 T{<@MK%],d  
&&}5>kg>d  
[/Z'OV"tU
 
   !ix<|F5  
 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。 ^B5cNEO  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 uK:-g,;  
0Mu8ZVI{  
1mJ_I|98  
!NYM(6!(  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run iL_F*iK5  
2]3HX3  
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） n+qVT4o  
+qj*P9  
ZGpTw[5ql  
R5eB,FN  
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。 iEviH>b5  
8q [c  
总结 3rdfg  
p$nK@t}  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 <i'u96  
1.模拟 I26gGp  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 dBMe`hM)  
2.研究 vaR
whE:  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 [Hj'nA^  
3.优化 iEpq*Qj  
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。 @y(Wy}  
4.分析 e?| URW  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。  l}0V+  
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。 Ww96|m  
+&7Kk9^  
参考文献 V`\f+Uu  
[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). t\pK`DM-[  
v]T(zL|  
进一步阅读 =kb6xmB^t  
zNny\Z  
进一步阅读 )J+{oB[>b  
 获得入门视频 >4/L-y+  
- 介绍光路图 .ts0LDk0f  
- 介绍参数运行 tP`G]BCbt  
 关于案例的文档 }@14E-N=  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 'q92E(  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens u\XkXS`  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing lU$4NUwM  
- 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