[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） $i#?v  
二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 &^!h}D%T/  
&eQJfc\a  
booRrTS  
简述案例 bcH_V|5
}  
19t{|w<  
系统详情 =sgdkAYwP  
 光源 QM'X@  
- 强象散VIS激光二极管 X(Qu{HhI  
 元件 eKG2*CV  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 7 ^$;  
- 具有高斯振幅调制的光阑 @MbVWiv  
 探测器 MsOs{2 )2  
- 光线可视化（3D显示） r2\c'9uH  
- 波前差探测 8 lT{1ro  
- 场分布和相位计算 o6a0'vU><  
- 光束参数（M2值，发散角） "& 25D  
 模拟/设计 3<:jx~y>  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 |(%zb\#9  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： -SCM:j%h  
 分析和优化整形光束质量 Z[?mc|*x  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 KpHw-6"  
$_Nf-:D*  
系统说明 xZ.!d.rn  
wTc)S6%7  
' cIEc1y  
模拟和设计结果 $B(kZ  
F<|t\KOW  
数值探测器结果 /=:j9FF  
,$lemH1d  
Um`!%  
%,P>%'0  
`3cCH  
总结 
4hs)b  
ravyiOL  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 viX +|A4gJ  
1.模拟 K.~q+IYP[  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 }G VX>p  
2.评估 I/6)3su%  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 1q7tiMvV-  
3.优化 lLhL`C!  
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。 <0P5 o|  
4.分析 `G9 l  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 H`9Uf)  
I\O\,yPhhP  
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。 (Z]HX@"{J  
6%G-Vs]*2  
详述案例 <
y.]ImO  
#W>QY Tp  
系统参数 V)ig)(CT  
<ABX0U[*  
案例的内容和目标 sgUud_r)4  
uVE.,)xz  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 Lh.b5Q|  
zAzP,1$?  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 NoE*/!Sr  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 kYzKU2T\W  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 H,unpZ(  
\y`+B*\i  
模拟任务：反射光束整形设置 `F YjQe"p  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 Q4*?1`IsR  
/AY4M;}p  
\_V-A f{6  
Rhc-q
|Lz8  
Yb3mP!3q8Z  
B%CTOi  
规格：像散激光光束 #G" xNl  
s#~GH6/  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束  ^zzP.  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 % 2$/JZ  
9I27TKy  
D"(L5jR8m@  
^
DeERB  
^hNgm.I  
ULrr=5&8  
规格：柱形抛物面反射镜  xw^R@H  
                         (.wIe/  
 有抛物面曲率的圆柱镜 NX`*%K  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ,mhQ"\
+C  
 曲率半径等于焦距的两倍 BS Iy+  
,YTIC8qKr  
Unj.f>U  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） c\B|KhDk  
f`9 b*w
V  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 dI&!e#Y  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） "Ve.cP,7(  
 离轴角决定了截切区域 5pr"d@.  
J;_}lF9d@  
规格：参数概述（12° x 46°光束） m8'C_U^89  
UcBe'r}G  
   `>0MNmu  
fkf1m:Ckh  
光束整形装置的光路图 +zXEYc  
fVb-$  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 ]f+ csB  
 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。 G'3qzBJ#  
J)P$2#  
反射光束整形系统的3D视图 |f~@8|MQP+  
bM8If"  
m_?d=o  
_ZY)M  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 3"o"fl  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 }cT_qqw(f%  
%K(<$!  
详述案例 5>BK%`  
GpZc5c  
模拟和结果 ?5_7;Ha  
T]2q?;N  
结果：3D系统光线扫描分析 :ba5iMa  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 a
fYc\-"  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 7AYd!n&S  
t#q<n:WeYU  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd /rUo{j  
N<QXmgqx  
使用参数耦合来设置系统 EEGy!bff  
%f($*l.  
自由参数： B}PIRk@a1  
 反射镜1后y方向的光束半径 B
6wRg8  
 反射镜2后的光束半径 w@
N  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） W 4F\}A  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 J,Ks0MA  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 .'Y]R3\M+  
\Y"W
u  
v
4C{<8:X  
JV;OGh>  
um9_ru~  
bV ZMW/w  
自由参数： DGzw8|/(  
 反射镜1后y方向的光束半径 qUly\b 47  
 反射镜2后的光束半径 9K9DF1SOa  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） *Z|y'<s  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 xO-+i\ ZV  
lo[.&GD  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 YW{C} NA  
wE~V]bmtW  
,yd?gP-
O  
结果：使用GFT+进行光束整形 ANgw"&&>(  
i&VsW7  
kT;S4B  
S#+h$UVh  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ]CoeSA`j  
dPhQ :sd>  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 V7/I
>^X  
By%=W5  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 'Fm
vu  
Yb E-6|cz  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： |+T1XYG5  
0{=`on;  
j$+nKc$  
y\a1iy  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd xD6@Qk  
b#X^=n2  
结果：评估光束参数 o LvZ  
B>2tZZko  
 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。 Zl*X?5u  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 5-M&5f.   
/n>qCuw  
%"P,1&\^  
 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。 }`@728E  
 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） 8O38#{[S  
qzTuxo0B  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 2sJ(awN>  
;cQ6g` bM\  
光束质量优化 @7B$Yy#  
>(;{C<6|^  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 /Z$&pqs!  
 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）。 ({q?d[q[  
<kCU@SK
 
结果：光束质量优化 Y*UA,<-  
oZAB_A)[-  
 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。 (vTtDKp@  
l g-X:Z.  
L|,!?cSAT  
Z-l=\ekJ  
 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#!%GEg1r  
?#45wC  
v&=gF/$  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd /K(o]J0F  
G%s2P.cd  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 "T|PS6R~  
|6$p;Aar  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 QnJZr:4b  
T7#W0
^tj  
 这意味着参数变化是的正态 dUQDOo  
w/kt3Lw  
Ba!J"b]  
   WS`qVL]^&  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 L>3x9  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 3J5!oF{H  
fP. 6HF_p_  
(Kv#m 3~  
k<"oiCE  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run k@'#@ t  
@WVcY:1t#  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） tfGHea)M  
OEkN(wF  
@g&ct>@y  
;9c<K  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 apu4DAy&8  
sL\L"rQN6  
总结 BYMi6wts  
cj1cZ-  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 /|D
*w^>  
1.模拟 6Q${U7%7  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 #N`~xZ|$  
2.研究 |563D#?cR  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 E/%9jDTQ  
3.优化 * iF]n2g:  
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。 28UU60  
4.分析 o !vE~  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 ::
}{_ Z  
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。 TZY3tUx0|G  
}#n;C{z2e  
参考文献 }Nf%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). |v({-*
7  
Yo|,]X>/  
进一步阅读 mD^jd+  
jW  3c"  
进一步阅读 lx[oaCr  
 获得入门视频 a+%6B_|\  
- 介绍光路图 C,v(:ZE$J7  
- 介绍参数运行 /K.!sQ$  
 关于案例的文档 eep1I :N  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ,f[>L|?e  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens @ < Q|5  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 5nKj )RH7M  
- 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