[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） Rv=YFo[B  
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 "zc l|@  
yuVs YV@"  
?(PKeq6  
简述案例 ]yu:i-SfP  
d1
*<Ll9K  
系统详情 TV:9bn?r)  
 光源 :U\tv[  
- 强象散VIS激光二极管 qLCR] _*  
 元件 7 &\yj9  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） OVJ0}5P*  
- 具有高斯振幅调制的光阑 TseGXYH  
 探测器 : +u]S2u{  
- 光线可视化（3D显示） GVz6-T~\>  
- 波前差探测 B[}6-2<>?C  
- 场分布和相位计算 N;R^h? '  
- 光束参数（M2值，发散角） *I+Q~4  
 模拟/设计 LscGTs,  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 cS$_\65  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： W/ \g~=vo  
 分析和优化整形光束质量 H::bwn`Vc  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 9^x> 3Bo  
:DNjhZ  
系统说明 vIvIfE  
k!^{eOM  
=%7-ZH9  
模拟和设计结果 H+#FSdy#  
^pS~Z~[d/  
数值探测器结果 jCY%|  
=AT."$r>  
ni<(K 0~  
Smh,zCc>s  
rjP/l6 ~'  
总结 F{wzB  
yu|>t4#GT  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 JT?h1v<H]  
1.模拟 eEKf|I  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 :3PH8TL  
2.评估 46x'I(  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 AX INThJ  
3.优化 cNrg#Asen&  
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。 /1 dT+>  
4.分析 xk5]^yDp  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 bD^o
wa  
=wJX0A|  
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。 }\f0 A-  
mv><HqDL1  
详述案例 qK+5NF|  

}ZI
7J  
系统参数 R_KH"`q  
Wqnc{oq|$  
案例的内容和目标 nTas~~
Q  
cL]1f  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 [^)g%|W  
~o(   
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 m
5.Zu.  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 GdwVtqbX  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 W^Yxny  
O1lNAcpeM  
模拟任务：反射光束整形设置 +vH4MwG$.&  
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。 H}!r|nG  
h8P)%p  
`uFdwO'DD  
pmM9,6P4@  
>z03{=sAN  
^~dWU>  
规格：像散激光光束
O^.#d  
'F<TSy|4kI  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 a#4?cEy  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 dG{A~Z z  
do%&m]#;  
yevPHN"M  
pRqx`5 }  
j.Hf/vi`z  
hM{bavd  
规格：柱形抛物面反射镜 PsYpxNr  
                         eavV?\uV%  
 有抛物面曲率的圆柱镜 Z r8*et  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 S!UaH>Rh  
 曲率半径等于焦距的两倍 ^c<Ve'-
 
R5D1
w+  
'V
{W-W<  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） A<{{iBEI`  
pb}*\/s  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 2:kH[#  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） fl(wV.Je|  
 离轴角决定了截切区域 f?Lw)hMrA  
l;Wj]  
规格：参数概述（12° x 46°光束） WMdg1J+~  
vQCy\Gi  
   Nc`L;CP  
/7kC<  
光束整形装置的光路图 TDh5lI
 
e= AKD#  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 YWLj?+  
 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。 @5FQX  
$mILoy B,  
反射光束整形系统的3D视图 nUO0Ce
 
v+XJ*N[W  
3S{/>1Y  
$Yq9P0Ya  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ueudRb  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 ;TYBx24vD'  
b9krOe*j  
详述案例 t_^4`dW`  
3w=J'(RU  
模拟和结果 +%'(!A?*`  
]G\}k  
结果：3D系统光线扫描分析 \h
XDO_U  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 lN@o2QX  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 rp$'L7lrX  
@dKTx#gZ  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd )GpK@R]{  
Ac@VGT:9  
使用参数耦合来设置系统 ^[[P*NX3  
s!J9|]o  
自由参数： 9w"*y#_  
 反射镜1后y方向的光束半径 #"!<W0  
 反射镜2后的光束半径 (=0.inZ  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） h{Y",7]!  
 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。 ]kSGR  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 .Mbz3;i0  
.A
|udZ,  
'L'R9&o<X  
<I?Zk80  
]Ze1s02(  
o&%g8=n%  
自由参数： dV_G1'  
 反射镜1后y方向的光束半径 W\3X=@|u)  
 反射镜2后的光束半径 sC'`~}C  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） @JMiO^  
 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。 3fj4%P"  
jcOcWB|  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 79gT+~z  
[,Gg^*umS  
+(Ae4{z"1+  
结果：使用GFT+进行光束整形 @ Y+oiB~Y  
L!92P{K  
_6Sp QW  
j#|ZP-=1_  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 Sjqpec8  
K;?+8(H  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 l?e.9o2-  
dO'(2J8  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 <'u'#E@"sl  
?,z}%p  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： oH@78D0A  
{ 6il`>=C  
M`_0C38  
7CysfBF0g  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd )=+|i3]U  
Gc?a+T  
结果：评估光束参数 9up3[F$  
&C}*w2]0S  
 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。 4#D,?eA7  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 00
(\ZUj  
)0
`C@um  
,1`z"7\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。 Yy8g(bU  
 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） Rq-ZL{LR7  
M\j.8jG  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd )%TmAaj9d  
z{q`GwW  
光束质量优化 CIWO7bS
 
W?&%x(6M  
 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。 Eci\a]  
 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）。 ]Ljf?tk  
UKGPtKE<  
结果：光束质量优化 F4QVAOM]U  
'/p4O2b,  
 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。 Wwo0%<2y  
u8^lB7!e/  
[E_9V%^  
4+n\k  
 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。） 42{~Lhxt  
qq?!LEZ  
:RYTL'hes  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd }V>T
M{  
crCJrN=  
反射镜方向的蒙特卡洛公差
vO=fP_  
+ZYn? #IQ  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 ]e3Ax(i)  
"@kaHIf[  
 这意味着参数变化是的正态 KvSG;  
|Tw~@kT@  
jPeYmv]
  
   Cx"sw }  
 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。 :UdF  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 ICCc./l|  
~&O%N  
G}*hM$F  
~[: 2I  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run yZ:qU({KhD  
=Qq+4F)MD  
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） rQXzR  
U*:!W=XN  
:&Nbw  
8L XHk l  
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。 <3iMRe  
E^PB)D(.  
总结 ?%86/N>  
^.tg7%dJ  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 \v{=gK  
1.模拟 9L9sqZUB
 
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 V]&\fk-{  
2.研究 q4q6c")zp  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 SuznN L=/$  
3.优化 NI5``BwpO  
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。 $( )>g>%  
4.分析 g0 [w-?f  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 -di o5a  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 !wNO8;(  
ToQ"Iy?  
参考文献 D$N/FJ8|G  
[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). 'yth'[  
Q?T]MUY(L  
进一步阅读 kT?J5u_o  
\jA~9  
进一步阅读 ZuIefMiG~+  
 获得入门视频 zX~MC?,W1  
- 介绍光路图 S'14hk<  
- 介绍参数运行 WHI`/FM  
 关于案例的文档 "L1Zi.)  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens z2c6T.1M  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens {$r[5%L\H  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing ;=@0'xPEa-  
- 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