[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）  qJsQb  
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 )EhTM-1  
h{Oz*Bq  
+`Q PBj^  
简述案例 H%*~l  
+<'uw  
系统详情 (nkUeQQN  
 光源 !JT<(I2  
- 强象散VIS激光二极管 " 7l jc  
 元件 p6<E=5RRd1  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） Hi9 G^Q  
- 具有高斯振幅调制的光阑 B(S5+Y  
 探测器 sqm%iyC=q  
- 光线可视化（3D显示） /uy&2l  
- 波前差探测 3m-edpH  
- 场分布和相位计算 0|WOReskK  
- 光束参数（M2值，发散角） Nb#H@zm  
 模拟/设计 Zr
mnQ  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 #nU@hOfg  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： /AK*aRU^  
 分析和优化整形光束质量 ~*66 3pA  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 @qg0u#k5  
hXV4$Dai  
系统说明 >xxXPvM<`  
NTv#{7q  
d_4n0Kh0  
模拟和设计结果
n`FQgC  
uKLOh<oio  
数值探测器结果 d+gk q\  
sW>P-  
+~R.7NE%  
sRkz WMl  
kcg)_]~6  
总结 Mft0Dj/  
[15hci+-  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 TzD:bKE&  
1.模拟 ,Ut!u)  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 b?+Yo>yF8  
2.评估 R7\{w(
`K  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 zJB+C=]D7H  
3.优化 Li?{e+g  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 S>/I?(J  
4.分析 (P]^8qc  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 : L6-{9$  
)_x8?:lv  
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-AN6.  
sT;=7L<TA  
详述案例 o m{n"cg  
BDB zc5Q(  
系统参数 ie$fMBIq  
%k1q4qOG]^  
案例的内容和目标 h0y\,iWXb  
'vf,T4uQ"  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 e+]YCp[(  
(rY1O:*S  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 i?P]}JENM  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 tyGnG0GK  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 `*uuB;  
~gzpX,{n  
模拟任务：反射光束整形设置 nKZRq&~^E  
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。 D@YM}HXuj  
^<5^9]x  
FZ}C;yUPD  
eog,EP"a8Y  
R- ?0k:  
J^<j=a|D  
规格：像散激光光束 ;4O;74`Zh  
#h5Hi9LKf  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ZRVF{D??"%  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 Qbe{/  
Z{R=h7
P  
Ff1M~MhG  
cbg3bi  
:,J86#S)  
T_;G))q'  
规格：柱形抛物面反射镜 .q;RNCUt  
                         n(F<  
 有抛物面曲率的圆柱镜 A=2nj  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 |[n|=ORI'  
 曲率半径等于焦距的两倍 Tl0+Bq  
OM"T)4z  
A~~|X  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） E%v[7 ST  
p%M(G#gOgP  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 G){1`gAhNJ  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） \)6?u_(u  
 离轴角决定了截切区域 6I6ZVSxb  
oVj A$|  
规格：参数概述（12° x 46°光束） (}7o a9Q<  
`\/Wah}I  
   n6-!@RYr  
"N[gMp6U  
光束整形装置的光路图 Se]t;7j  
@+Anv~B.  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 -<VF6k<  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 zj$Z%|@$  
Gm?"7R.  
反射光束整形系统的3D视图 ^SL}wC x  
TY{?
4  
%L=h}U13  
o@V/37!  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Y&!McM!Jw  
 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）。 'kONb  
I7-PF?  
详述案例 jzOMjz~:)  
;U:o'9^9T  
模拟和结果 M`g Kt(3  
Jv$2wH  
结果：3D系统光线扫描分析 z%-"'Y]  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 /URj$|  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ovRCF(Og,  
ok=E/77`  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd #JT%]!  
"i5AAP?_]{  
使用参数耦合来设置系统
uX5B>32  
%Z
i,nHg8  
自由参数： SEn8t"n  
 反射镜1后y方向的光束半径 Mh@ylp+q  
 反射镜2后的光束半径 }jy7,+  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） }lbx  
 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。 !"qEB2r  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 !P3tTL!*L  
zqEZ+|c=  
R5YtCw]i=  
P_}_D{G  
\$++.%0  
\>CBam8d  
自由参数： *h8XbBZH  
 反射镜1后y方向的光束半径 Kof
-;T  
 反射镜2后的光束半径 z:q'?{`I  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） &b:Zln.j  
 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。 m*WEge*$t  
S6Xw+W02  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 S%%qn  
NxRiEe#m  
U%6lYna{M#  
结果：使用GFT+进行光束整形 RB 0j!H:  
Ts *'f  
l@2`f#y1~<  
p~y 4q4  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 uX!y,a/"  
IQ`aDo-V  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 kUBHK"}K  
]-]@=qYu  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 JQv ZTwSI  
Kd21:|!t^  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： #rL@  
 0>J4O:k  
&~6O;}\  
l`G:@}P>G  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Y2~{qY  
z^a?t<+  
结果：评估光束参数 tg4&j$  
E<_6OCz  
 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。 0iq$bT|  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 ;(Va_   
sm <kb@g  
=njj.<BO  
 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。 .}opmI  
 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） RB@gSHOc?  
aj~@r3E;  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd U*l>8  
xL#oP0d<e  
光束质量优化 Vc<n6  
bpCe&*\6K  
 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。 &cejy>K  
 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）。 ~DS9{Y  
lJ2/xE]  
结果：光束质量优化 jYx(  
y
L,B\YCf8  
 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。 -igZU>0B_  
e/%YruzS  
FC.-u
"V  
5.;$9~d  
 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。） _)\,6| #  
,)m-nZ5  
rI$10R$+H  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd $fG/gYvI\  
ZPFTNwf  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 K~N[^pF  
<\ c8q3N  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 LB0=V
0|  
S'fq/`2g6  
 这意味着参数变化是的正态 LLN^^>5|l  
`&
DiM@Sm  
z<XS"4l?W  
   ^DJU99   
 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。 %ua5T9H Z  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 <<6#Uz.1  
x$4'a~E  
)^3655mb  
o?\Pw9Y  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run fQ) ;+  
yFv3>\  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） )f|6=x4  
&KwtvUN{  
,bg#pG!x Q  
,]'!2?  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 ~<-h# B  
YkbLf#2AE|  
总结 m#P&Yd4T  
:a`m
9s 4  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 J]e&z5c  
1.模拟 @[lr F7`o  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ObnB6ShKi  
2.研究 |'#NDFI>}  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 ru L
cu]  
3.优化 ->UrWW^  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 .$;GVJ-:5  
4.分析 0cVXUTJ|W  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 UNHHzTsr?  
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。 *O2j<3CHf  
jiDYPYx;I  
参考文献 oyY,uB.|  
[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). %hh8\5l.:  
$Vh82Id^  
进一步阅读 fx5vaM!  
 ~I74'  
进一步阅读 irS62Xe  
 获得入门视频 N\$6R-L  
- 介绍光路图 R8)"M(u=l  
- 介绍参数运行 ^~$ o-IX  
 关于案例的文档 ce\-oT  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ;DpK*A  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ml2HA4X&$Y  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing ^
W*/!q7H  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair

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非常有用，谢谢！

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