[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） qB%?t.k7  
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 "JHdF&  
+\@) 1  
H<hFA(M  
简述案例 WH@CH4WM  
(T0%oina  
系统详情 9ZKB,  
 光源 y":Y$v,P  
- 强象散VIS激光二极管 G
S!7HphR  
 元件 o.)8A8  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） [;rty<Z^b  
- 具有高斯振幅调制的光阑 "`QI2{!l  
 探测器 Wr3).m52}P  
- 光线可视化（3D显示） z2EZ0vZ  
- 波前差探测 y;M}I8W[  
- 场分布和相位计算 >4c7r~\k  
- 光束参数（M2值，发散角） nDt1oM H  
 模拟/设计 YPq4VX,  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 \(S69@f  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： 3bCb_Y  
 分析和优化整形光束质量 m1](f[$  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 {C%#r@6  
=th(Hdk17  
系统说明 J\WUBt-M  
A,P_|  
6}Iu~|5  
模拟和设计结果 "ggViIOw&  
(JgW")M`cY  
数值探测器结果 3G4N0{i  
t[L_n m5-  
%syFHUBw  
PT`];C(he  
uQ}0hs  
总结 3 &aBU[  
KGVAP  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ucVWvXCr  
1.模拟 m'L7K K-Y)  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ?PMF]ah  
2.评估 l'~~hQ{h/  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 u$3wdZ2&m  
3.优化 U c6]]Bbc  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 ?iX1;c9  
4.分析 |=dmxfj@  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 H 3e(-  
T)!$-qdz/  
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。 yMJY6$Ct  
c@+;4Iz  
详述案例 ^KKU@ab9  
c*5y8k  
系统参数 8 |@WuD  
,>:   
案例的内容和目标 0v~Eu>Rg  
j.'Rm%@u  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 Hy?+p{{G  
L\:f#b~W  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 v7V.,^6+  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 17itC9U  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 qWQ7:*DL  
i8]2y  
模拟任务：反射光束整形设置 &_DRrp0CN  
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。 Rk1B \L|M  
;yc|=I^  
?|&plf|  
\Mujx3Fmvx  
w6^X*tE  
=:|fN3nJ2  
规格：像散激光光束 @YH<H
c  
|k # ~  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 !Q`vOVSUD  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 rvdhfM!-A  
S.!0~KR:U  
.^?^QH3  

cH5@Jam  
c]pO'6]  
,%|$# g 0  
规格：柱形抛物面反射镜 1j_x51p  
                         NXwlRMbo  
 有抛物面曲率的圆柱镜 4. &t  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ?89ZnH2/  
 曲率半径等于焦距的两倍 ?q68{!{bi  
Qp~W|zi(  
mXX9Aa>  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） efK)6T^p  
j3!]wolY  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 *ybwlLg  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） +2}aCoL\  
 离轴角决定了截切区域  Tl.%7)  
)$# Ku2X  
规格：参数概述（12° x 46°光束） DwQaj"1<%  
[vIHYp  
   K?y!zy  
<lx~/3
<m  
光束整形装置的光路图 \"E-z.wW=  
M5SAlj  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 ,W'?F9Y\  
 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。 H
xC_nh  
2Z ? N  
反射光束整形系统的3D视图 }ph;~og}y  
VW7 ?{EL7  
BjT0mk"P  
HMUn+kk+  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 s}~'o!}W  
 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）。 fP>K!@!8  
=4;GIiF@  
详述案例 ([-xM%BI6  
Q~5!c#r  
模拟和结果 W^c> (d</  
nDR)UR  
结果：3D系统光线扫描分析 Q( WE.ux)<  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 +OUYQMmM  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 HWr")%EhD  
!wws9  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd u1?1x  
%hYol89F  
使用参数耦合来设置系统  TP6iSF  
9s5PJj"u  
自由参数： VfJbexYT  
 反射镜1后y方向的光束半径 hM!D6: t  
 反射镜2后的光束半径 EDm,Y  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） sK#)wjj\^  
 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。 P=)&]Pz  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 uT5sLpA|6  
))M; .b.D  
zc<C %t[~y  
VQ{.Ls2`Z  
DR."C+  
XO)|l8t#$=  
自由参数： Kvu0Av-7  
 反射镜1后y方向的光束半径 RH,1U3?  
 反射镜2后的光束半径 =[O;/~J%:  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） J?ljqA}i  
 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。 z0;+.E!  
MZt~ Abt  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 {+V1>6  
rYnjQr2a  
2 {lo  
结果：使用GFT+进行光束整形 3>[_2}l  
$<)k-Cf  
t^h{D   
\W<r`t4v  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ( }DCy23  
bg\~"  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 S[o_
$@|  
5feCA ,v7  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 c k=  
* \@u,[,  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： `(|jm$Q  
^-3R+U- S  
Qt_LBJUWV  
c&Pgz~iP  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ,+0>p  
N?d4Pu1m  
结果：评估光束参数 YuWsE4$  
mlgw0   
 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。 .bh>_ W_h  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 kLK
d O0  
sjLI^#a  
hP4*S^l  
 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。 H26'8e  
 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） eMf+b;~R  
I!y[7^R  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd  *$nz<?  
s)
q;{wz  
光束质量优化 _"8\k7S*  
m:77pE&o  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 2}P<}-?6  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 MtAD&+3$  
F=C8U$'S  
结果：光束质量优化 7Zl-|  
sF?N vp  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。 N@UO8'"9K&  
,c:Fa)-  
uy~KJn?Tu  
fDmGgD?  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） 4 |$|]E  
n237%LH[  
N 3)OH6w"  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd #NM.g  
RltG/ZI  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 ]9?_m@Ihx  
<tZPS`c'_  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 N{@kgc  
6g@@V=mf  
 这意味着参数变化是的正态 >= Hcw  
%gB 0\C  
;b:Ct<  
   v>TI.;{y  
 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。 3Q^@!hu  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 h5
Y3 v  
]p~QdUR(  
iG*3S)  
WY%LeC!t  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run J;Az0[qMR  
RaFk/mSw  
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） ': Gk~   
jyPY]r  
_s./^B_w!  
|2!/<%Yr`  
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。 8o~<\eF%  
C !81Km5  
总结 4 Yq|Z  
O&93QN0  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Fl GKy9k  
1.模拟 '\dau>  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 *ms?UFV[r  
2.研究 >\b=bT@iM  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 <{.o+~k  
3.优化 8cy#[{u`;  
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。 )+[IR  
4.分析 dX0A(6  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 [#H$@g|CT  
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。 :
0pxacD"!  
V ^=o@I  
参考文献 }2M2R}D  
[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). $~4ZuV%  
{{M?+]p,^  
进一步阅读 H@er"boi  
Y'kD_T`f,  
进一步阅读 aX6.XHWbDf  
 获得入门视频 _T^ip.o  
- 介绍光路图 ^1U2&S  
- 介绍参数运行 u2'xM0nQ  
 关于案例的文档 r7sPFM  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens Dm6WSp1|b  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens N4"%!.Y  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 6l IFxc  
- 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