[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） 9l(e:_`_  
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 W_M]fjL.  
;ATk?O4T  
czedn_}%Q  
简述案例 v[HxO?x^  
'6K WobXm  
系统详情 5*4P_q(AxD  
 光源 hBN!!a|l  
- 强象散VIS激光二极管 )Oa"B;\j  
 元件 r^Gl~sX  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） E9 q8tE}  
- 具有高斯振幅调制的光阑 Te5_T&1Z  
 探测器 NB16O!r  
- 光线可视化（3D显示） Zso.3FR,  
- 波前差探测 #H5*]"w6I  
- 场分布和相位计算 a@m>S$S  
- 光束参数（M2值，发散角） ku`'w;5jT  
 模拟/设计 y.mojx%?a  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 lr^-  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： YBg\L$|n  
 分析和优化整形光束质量 e6{/e+/R  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 :*Ckq~[Hg  
] niWRl
 
系统说明 7E|0'PPR  
x)V.^-  
^\_`0%`>  
模拟和设计结果 ]c$%;!ZE  
Sgr<z d'b  
数值探测器结果 !y*V;J  
(<1DPpy95O  
tF`>.=  
(-"A5(X:/  
/\Q{i#v  
总结 S,Oy}Nv  
62Jn8DwAT  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 >%d]"]  
1.模拟 l<v/T  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 
y(N-1  
2.评估 y)/d-  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 nw\p3  
3.优化 Gt- -7S  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 a9D5qj  
4.分析 >)5rOU  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 d(
fgv  
t,MK#Ko  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 a>s v  
A7: oq7b  
详述案例 ?k"KZxpT  
yv'mV=BMJ!  
系统参数 WgY\m&  
BNzL+"W  
案例的内容和目标 6"%[s@C  
'^P Ud`  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 \ iP[iE=  
'#q"u y  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 eKu&_q  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 {uckYx-A  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 gqe z-  
]qpcA6%a|  
模拟任务：反射光束整形设置 yy#Xs:/  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 vtvr{Uqo@  
}Efp{E  
5^%^8o  
Ha 3XH_  
hO(HwG?8t  
40@KL$B=  
规格：像散激光光束 ClfpA?vv  
^,`Lt *  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 f
WLsk  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ` D4J9;|;]  
&[3!Lk`.0  
W>@+H"pZ  
p
p{%\td  
Sb{S^w\m0  
o-x_[I|@  
规格：柱形抛物面反射镜 VUx~Y'b  
                         SQt$-<>4\  
 有抛物面曲率的圆柱镜 +{#BQbx6  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 r&TxRsg{  
 曲率半径等于焦距的两倍 fc!%W#-  
hSg:Rqnk  
(@&|  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） +rql7D0st  
E!Ng=}G&_  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 [KjQW/sb'  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） uAJ_`o[  
 离轴角决定了截切区域 Um9=<*p  
-(1e!5_-@  
规格：参数概述（12° x 46°光束） bz>#}P=58G  
fnXl60C%  
   }B]FHpi  
\SMH",u  
光束整形装置的光路图 %Z}dY~:  
C8n1j2G\  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 bUWtlg  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 L\"=H4r  
=h&^X>!  
反射光束整形系统的3D视图 C8{CKrVE  
C6,Bqlio  
;M
JM~\L0  
K}$PIW  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 {+`ep\.$&  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 w]%r]PwU+  
>|rL0  
详述案例 2C-RoZ~  
vJcvyz#%1  
模拟和结果 9r)5d&,6  
&GbCJ  
结果：3D系统光线扫描分析 |%M%j'9  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 U O[p  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 w$t2Hd  
o<!#1#n+:  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd KztF#[64W^  
(8>k_  
使用参数耦合来设置系统 V5A7
w V3~  
9GQTe1[t4  
自由参数： S@*@*>s^  
 反射镜1后y方向的光束半径 ,f1+jC
  
 反射镜2后的光束半径 "n05y}  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） o-(jSaH :;  
 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。  $hN!DHz  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 ;j52a8uE'}  
<LLSUk/  
:)MZgW  
*'`-plS7  
Ep'C FNbtW  
) .]Z}g&  
自由参数： #p[=iP
  
 反射镜1后y方向的光束半径 g1}RA@9  
 反射镜2后的光束半径 * dNMnZ@Y  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） , n EeI&  
 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。 g xLA1]>{  
f{b"=hQ  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 J}.p6E~j  
Z2LG/R  
R2;-WxnN]  
结果：使用GFT+进行光束整形 > h:~*g  
8>epKFEg  
}y0UyOa{C  
EM([N*8o  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ,qr)}s-  
Cf10 ud  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 `"D7XC0x  
:`uo]B"  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 }SOj3.9{c  
G[wa,j^hu  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： _PRm4 :  
hxtu^E/  
sB"]R%`_  
,v^it+Jc'  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd  M,6AD]  
4e5Ka{# <  
结果：评估光束参数 ]V9\4#I4  
1f~DUku=  
 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。 c8u&ev.U  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 +XIN
-8  
b.t]p  
8 {QvB"w  
 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。 5ax/jd~}  
 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） 3XA^{&}  
7zNyH(.  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd g,q&A$Wi  
5&VLq  
光束质量优化 ,0])]  
E.BMm/W
H  
 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。 _H;ObTiB  
 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）。 Lu<'A4Q1  
B,A/ -B\  
结果：光束质量优化 0/*z]2  
0phGn+"R  
 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。 . Bv;Zv  
a{{([uZ  
.E@yB`AR  
)v'DQAL  
 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。） "rX`h  
rK`*v*  
ap=_odW~p  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ` bg{\ .q  
2B*9]AHny  
反射镜方向的蒙特卡洛公差
V862(y  
2'/ ip@  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 _p90Zm-3X  
g#H#i~E^  
 这意味着参数变化是的正态 nGg>lRL
  
pfZxG.l  
3s
$m0
 
   ~s !+9\Fi  
 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。 7?F0~[eGG  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 > ^D10Nf*  
z5Po,@W  
;BpuNB  
VdYu| w;v  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run _I75[W!  
2vK{Yw   
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） I*'QD)  
;Qw>&2
4h[  
7kj
#3(e  
]ul]L R%.  
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。 "Z#&A  
obY
5
taOw  
总结 sg2T)^*V  
{E>kFeg  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 _,~/KJp  
1.模拟 )5p0fw  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 c7sW:Yzil  
2.研究 gzi~BJ  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 02bv0  
3.优化 $+ lc;N  
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。 qd(`~a  
4.分析 vJK0>":G  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 Xul<,U~w6  
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。 !m:SRNPg  
\V}?
K0#bt  
参考文献 29}(l#S}m  
[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). h_fA  
>P/.X^G0  
进一步阅读 V"k*PLt  
>e'6RZRLA  
进一步阅读 ]B\H  
 获得入门视频 b,~6cDU  
- 介绍光路图 vz/.*u  
- 介绍参数运行 Mej
M(o_kk  
 关于案例的文档 T =_Hd  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 1iig0l6\m  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 3)p#}_u{  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing A6pPx1-&  
- 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