[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） &r!*Y&  
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 ^Zw1X6C5~  
S4(lC%$|  
^0&   
简述案例 pD%Pg5p`  
OX)[?1m8  
系统详情 q%GlS=o"  
 光源 5J8U] :Y)  
- 强象散VIS激光二极管 @
phb5  
 元件 cYp]zn+6  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） SdBo sB3v>  
- 具有高斯振幅调制的光阑 ;3WVrYe  
 探测器 L+y90 T6?  
- 光线可视化（3D显示） '\.fG\xD  
- 波前差探测 {kgV3 [%>  
- 场分布和相位计算 F2RU7o'f.  
- 光束参数（M2值，发散角） VKp
4FiI6  
 模拟/设计 $17utJ58  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 P mgTTI  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： OfGMeN6  
 分析和优化整形光束质量 Y5Jrkr)k  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析  \>*B  
n[pW^&7x  
系统说明 aI:G(C?jm  
\sZ!F&a~  
U(cV#@Y  
模拟和设计结果 wqLY \  
VdV18-ea  
数值探测器结果 h"{Z%XPX#  
c31k%/.  
m.A_u7D@  
J}cqBk>  
kG>d^K  
总结 Cj x
(Z]  
0]3#3TH  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Ec^x  
1.模拟 Hjm  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 >F~]r$G  
2.评估 {@c)!%2$  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 \]eB(&nq  
3.优化 QK3j.Ss  
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。 syYe0~  
4.分析 ErNL^Se1  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 se1\<YHDS  
S-\;f jh  
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。 ah\yw  
^%V^\DK  
详述案例 -kVt_  
[80L|?, *  
系统参数 ,dM}B-  
7]w]i5  
案例的内容和目标 yJJNr]oq  
9fyJw1  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 Rh:edQ#  
HH
+$rrTT  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 hqA6%Y^k  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 kCWaji_x%  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 !z7j.u`Y  
qMrBTq[  
模拟任务：反射光束整形设置 9K\A4F}  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 SW ^F  
ppjS|l*`  
0Y8Si^T  
Vnu*+  
M7|k"izv  
o+o'!)  
规格：像散激光光束 _%` )cOr  
H]7MNY  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 u!FX 0Ip  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ~9Nn8g6  
f,'gQ5\ X3  
l cHqg  
h#ogL-UU  
-hx' T6G%  
=@F1J7  
规格：柱形抛物面反射镜 SL9]$MmJn  
                         #Ont1>T,G  
 有抛物面曲率的圆柱镜 6tC0F=  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 Bw]Y71  
 曲率半径等于焦距的两倍 ~|_s2T  
]chfa  
a9hK8e  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） o& g01t  
\J>a*  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 h JVy-]  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型）  \^$g%a  
 离轴角决定了截切区域 afVl)2h  
i$GL]0  
规格：参数概述（12° x 46°光束） T2Q`Ax7  
}IM*Vsk  
   \>b :  
\OV><|Lkh  
光束整形装置的光路图 x]~{#pH@<  
u|v2J/
_5Y  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 K"%_q$[YQ  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 B:-qUuS?R  
z+RA  
反射光束整形系统的3D视图 O$=[m9
V  
X,)`< >=O  
^EK]z8;|  
jea{BhdUr  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 lr>P/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）。 8.9Z0  
;7jszs.6%  
详述案例 yfq Vx$YL  
%r1NRg8  
模拟和结果 u0&QStI  
8F?6Aq1B  
结果：3D系统光线扫描分析 O] T'\6w  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 3#O Rfr(  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 eXN\w]GE  
k[{h
$  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd (!^i6z0Sp  
L_TM]0D>7  
使用参数耦合来设置系统 #H0-Fwo  
p_^Jr*Mv  
自由参数： /$w,8pV=  
 反射镜1后y方向的光束半径 yK1@`3@?  
 反射镜2后的光束半径 3`%]3qd}  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 
wZ&l6J4L  
 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。 PV[Bqt  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 fVb~j;  
_6y#?8RMB  
8dgi"/[3  
0Nvk|uI V[  
Ol%KXq[  
uq.!{3)8  
自由参数： K{]9Yo  
 反射镜1后y方向的光束半径 &7K 4tL  
 反射镜2后的光束半径 Wu}84W"!.V  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 0|a,bwZ  
 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。 E79'<;K,zs  
"s$$M\)T  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 n(#|  
cdBD.sg  


ZGa;'  
结果：使用GFT+进行光束整形 fJiY~mQ  
HLlp+;CF><  
yYdow.b!  
e7n[NVrX  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 t<F*ODn  
ZOAHM1ci  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 J~}%j.QQ7  
mz[Q]e~&i  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 -o+<m4he  
(uW$ch@2K  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： W@bZ~Q9  
[w1 4hHnq  
3A`|$So  
|c<h&p  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Whd\Ub8(  
%0y_WIjz  
结果：评估光束参数 i9RAbtQ}  
o_i N(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。 :637MD>5lO  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 8q}955Nl  
(C3:_cM5  
;4MC/Q/  
 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。 M:PEY*4H  
 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） sB~|V <  
P]~apMi:  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
762c`aP_(  
(XU(e  
光束质量优化 e|-%-juI  

iAl.(j  
 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。 f>!H<4 ]  
 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）。 'vP"&lrn  
hFQ*50n}  
结果：光束质量优化 x\i+MVR-  
B7 #O>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。 p.ks jD  

S/2lK*F  
Qo5yfdR  
+~7x+6E  
 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。） p0|PVn.^h  
['%$vnS5S  
x@p1(V.  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 9OS~;9YR  
Y9SaYSX  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 Clo}kdkd_  
nu6p{_M  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 %(X^GL  
3nbTK3,  
 这意味着参数变化是的正态 !r#36kO  
2Kmnt(>  
'44I}[cA/  
   SR$?pJh D%  
 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。 d(_;@%p1X  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 N|3a(mtiZ'  
nw  
]}Jb'(gMO4  
cD5N'3  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run  oB8LJZ;  
Jwtt&" c0.  
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） [sXnB$  
NtDxwzj  
|I2~@RfpO:  
0-~F%:x  
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。 *K'#$`2  
PN"=P2e/ 6  
总结 :m[HUh  
i4dy0j
fN  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 9zD,z+  
1.模拟 +'"NKZ.>TT  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 i$g6C  
2.研究 ,opS)C$  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 9TUB3x^  
3.优化 m5%E1k$=  
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。 G2s2i2&6E  
4.分析 qir8RPW  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 w
u;^fL  
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。 [+wLy3_  
,K
aO8^PB  
参考文献 El^V[s'3  
[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). 5,#aN}v#?  
b~C^cM  
进一步阅读 N+zR7`AG8  
c9ea%7o{0a  
进一步阅读 BMH?BRi  
 获得入门视频 !a7YM4D  
- 介绍光路图 ?hOvY)  
- 介绍参数运行 bqwn_=.  
 关于案例的文档 G7YBo4v  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens We@wN:  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 5n1T7-QCL  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing )5ev4Qf  
- 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