[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） 7ufTmz#j<  
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 '=(D7F;  
gnadx52FP  
?u5jXJ0L  
简述案例 )"J1ET,z  
6OR)97  
系统详情 ]:}7-;$V  
 光源 sJMpF8   
- 强象散VIS激光二极管 ^O& y;5  
 元件 OBf$Z"i  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） aTkMg  
- 具有高斯振幅调制的光阑 0J6* U[  
 探测器 }:S}jo7  
- 光线可视化（3D显示） +LlAGg]Z  
- 波前差探测 h0C>z2iH  
- 场分布和相位计算 )<$<9!L4x  
- 光束参数（M2值，发散角） !AGoI7W}  
 模拟/设计 8Vy/n^3)  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 3bT?4  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： S{Zf}8?6$  
 分析和优化整形光束质量 )d>Dcne  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 S0ReT*I  
L) UCVm  
系统说明 n(.L=VuXn  
%pLqX61t=  
_p?s[r*  
模拟和设计结果 B%5"B} nG  
o*3\xg  
数值探测器结果 $wbIe
"|  
!b$]D?=}  
wRZS+^hx  
hxt;sQAo{  
8tO.o\)h  
总结 {"*_++|  
 yyGn<  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 lYey7tl{  
1.模拟 a*t>Ks'C  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 CdMV(  
2.评估 rxj#  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 \YHl
(  
3.优化 >DN^',FEm  
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。 !r9rTS]  
4.分析 ~%h&ELSw  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 1kD1$5  
_:FD#5BZ1  
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。 U;*O7K=P  
: @
$5M  
详述案例 a5&[O  
p.H`lbVY  
系统参数 2wa'WEx  
5=Y(.}6  
案例的内容和目标 yZ]?-7
 
k
h8 M=  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 D={$l'y9p  
[ua[A;K  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 H%Z;Yt8^gt  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 .EvP%A m  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 uJ8FzS>[V  
;9q$eK%d  
模拟任务：反射光束整形设置 $.31<@T7  
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。 y'n<oSB}  
GIfs]zVr`  
,XI=e=  
F5OQM?J  
!)}D_9{  
[&l+Ve(  
规格：像散激光光束 rbs&A{i  
EfkBo5@Qi  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 eR/X9<  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 Kzy9i/bL  
)\kNufP  
rB|4  
d*=qqe H  
k(v &+v  
GaV OMT  
规格：柱形抛物面反射镜 ylDfr){  
                         6WoFf  
 有抛物面曲率的圆柱镜 !1@oZ(  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ;Wsl 'e/  
 曲率半径等于焦距的两倍 C;#gy-  
_@VKWU$$  
 A7eYKo q  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型）
c{39,oF  
LX #.  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 \&U"7gSL  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） dj}P|v/;z  
 离轴角决定了截切区域 F=f9##Y?7M  
s?fEorG  
规格：参数概述（12° x 46°光束） NE3/>5  
W .Al\!Gi  
   8%xiHPVg  
- s2Yhf  
光束整形装置的光路图 ;=@?( n  
RB;2  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 l1%*LyD  
 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@<j)3P  
i98PlAq)B  
反射光束整形系统的3D视图 $-6[9d-N  
BZjL\{IW  
E/D@;Ym18  
>feeVk  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 P(3$XMx  
 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）。 6\%#=GG  
zE7)4!  
详述案例 A-eCc#I  
O<XNI(@  
模拟和结果 L:jv%;DM  
ZB5NTNf>  
结果：3D系统光线扫描分析 h*sL' fJ]  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 MW=rX>tE  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 maV*+!\  
.e}`n)z  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd HDz"i  
WckWX]};S  
使用参数耦合来设置系统 B<~BX[  
clM6R  
自由参数： NIC.c3  
 反射镜1后y方向的光束半径 wB<cW>6  
 反射镜2后的光束半径 1z@ ncqe  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 59?$9}o
b  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 Yof]  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 P{,=a]x,mz  
ntZHO}'  
ffa
MF~+  
}q?q)cG  
8{Vt8>4  
t /lU
*  
自由参数： yWi?2   
 反射镜1后y方向的光束半径 AQc9@3T~Bi  
 反射镜2后的光束半径 jLEO-<)-)  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） <,9rXjeRl  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 @j%7tfW  
R5<:3tk=X  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 U
{HBmSR  
;|oem\dKv  
yQC8Gt8  
结果：使用GFT+进行光束整形 }w)wW1&  
S^~ lQ|D  
XZ/cREz^s  
6h\; U5  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ;Udx|1o  
iF"kR]ZL  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 [kI[qByf  
`,FhCT5  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 Jz-RMX=  
eW[](lGWM  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： Ul|htB<1:  
EsLtC5]  
`V?NS,@$  
85+w\KuEY  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd #?bOAWAwLh  
!Eb!y`jK  
结果：评估光束参数 DWU(ld:_  
:n oZ p:a  
 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。 H8!lSRq  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 $XFFNE`%  
Vv>hr+e  
uecjR8\e  
 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。 <@qJsRbhK  
 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） NHzVA*f  
&lB>G[t  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd wgZ6|)!0  
&"X1w $  
光束质量优化 p%e/>N.P  
4TaHS!9  
 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。 6H|&HV(!R  
 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）。 l,j0n0h.  
`(@{t:L  
结果：光束质量优化 byJ[1UK  
RIF*9=,S  
 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。 37|EG  
[uu<aRAg3O  
3:gF4(.  
jft@ 'W53  
 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。）  OF`:);  
^~m}(6  
HH^yruP\}  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd )'`@rq!  
Qf|c^B  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 LLwC*)#  
v79\(BX  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 \B8[UZA.&  
\-
:4TuU  
 这意味着参数变化是的正态 Vq
dR  
6am<V]Hw0F  
f`p"uLNo<  
   $eh>.c'&]  
 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。 \xOv9(  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 HQrx9CXE  
<#7j~<  

~@K!>j  
N`5 mPE  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run A,%NdM;t=5  
DbK-3F_  
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） 2Xp?O+b#"O  
CNyV6
jb  
s!/Q>A  
-@`!p  
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。 w0fFm"A|W  
lhJZPnx~  
总结 DX8pd5U  
);ZxKGjc4  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 <0H^2ekd  
1.模拟 Na_O:\x#  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 g}*F"k4j  
2.研究 7.C~ OrGR  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 @Yh%.#\i%  
3.优化
0%]F&|  
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。 LW+^m6O  
4.分析 ~.8p8\H  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 %weG}gCM  
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。 wnbKUlb  
Xh"8uJD  
参考文献 z4*`K4W  
[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). lag%}^  
$oH?7sj  
进一步阅读 B}Sl1)E  
O\)rp!i  
进一步阅读 <I^Tug\M+  
 获得入门视频 5KwT(R o  
- 介绍光路图 VeWvSIP,EQ  
- 介绍参数运行 f#zm}
+,`  
 关于案例的文档 vrvOPLiQ  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 0]`%iG|  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens mEDi'!YE"  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing Y'2 |GJc2  
- 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