[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） :aH%bk  
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 >ZX|4U[$P  
W
;.{]x.0  
Uh*@BmDA  
简述案例 N^lAG"Jao[  
u-kZW1wrQ  
系统详情 _1P`]+K\D$  
 光源 x=h0Fq,T  
- 强象散VIS激光二极管 s*f1x N<  
 元件 q4)Ey  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） G,B?&gFX  
- 具有高斯振幅调制的光阑 |f<9miNu  
 探测器 <z',]hy  
- 光线可视化（3D显示） Z&A0hI4d  
- 波前差探测 kAe
NQRjR  
- 场分布和相位计算 "(<%Ua  
- 光束参数（M2值，发散角） a/b92*&k  
 模拟/设计 ]9s\_A9  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 u7[pLtOwN  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： IYLZ +>  
 分析和优化整形光束质量 e]+7DE  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 0TmZ*?3!4  
bfhz?,b  
系统说明 '^DUq?E4  
*.o"ZVl  
pUGN!3
 
模拟和设计结果
" <Qm -  
~~@y_e[N#l  
数值探测器结果 Ts#pUoE~+H  
SetX#e?q~  
D&-vq,c  
Tv1]v.  
$C$ub&D ~"  
总结 R1Yqz $#  
%7 /,m  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 B>,A(X&  
1.模拟 q=+wI"[  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 T=>vh*J  
2.评估 [EruyWK  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ~XKZXGw  
3.优化 JL``iA  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 vbaC+AiX  
4.分析 djfU:$!j&  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 L0xsazX:x  
{pC\\}  
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。 (7~%B"  
7VY8CcL  
详述案例 #Skj#)I"  
"|hlDe<  
系统参数 S2Vxe@b)  
Wt:~
S/l  
案例的内容和目标 &//2eL  
Sk$KqHX(  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 u-:MVEm  
ly=a>}F_  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 E<k^S{  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 zIm-X,~I$  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 _ ~[M+IO   
D7gHE  
模拟任务：反射光束整形设置 w&5/Zh[~~L  
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。 Bq;1^gtpe  
OT@yPG  
Mt=R*M}D0  
x;(g  
3daC;;XO  
kT2Wm/L  
规格：像散激光光束 X.eB ;w/}  
v^TkDf(Oz  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 =JxFp, Xr  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 a%*_2#  
~ aA;<#  
wPgDy  
P7UJ-2%Y+  
\XDmK  
cJ/4Gl  
规格：柱形抛物面反射镜 (l_:XG)7~b  
                         U6c@Et,  
 有抛物面曲率的圆柱镜 | k}e&Q_/G  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 g}Mi9Kp  
 曲率半径等于焦距的两倍 _r5wF(Y?7  
uJ8x  
4 4`WYK l  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） S<pk
c8  
mLaCkn
  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 $L\@da?  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） zR/IqW.`9  
 离轴角决定了截切区域 bvp)r[8h  
]5)"gL%H`  
规格：参数概述（12° x 46°光束） IM]h*YV'  
dN0mYlu1|  
   s`1^*Dl%+  
U{HML|  
光束整形装置的光路图 n.ct]+L  
 Fs)  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 )cKjiXn  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 OfJd/D  
[zx|eG<&-  
反射光束整形系统的3D视图 xEC2@J  
[S)G$JW  
kC31$jMC3!  
2rmNdvvrk  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 f:XfAH3R{  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 0e\y~#-  
@(){/
cF  
详述案例 J'Gm7h{   
Y$+QNi  
模拟和结果 eo ?Oir)  
gb(#DbI  
结果：3D系统光线扫描分析 XR+rT  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 r,"7%1I  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 O:,=xIXR  
zb?kpd}r  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 3sb 5E]P  
0$QIfT)  
使用参数耦合来设置系统 %ZiK[e3G  
(7L/eDMT  
自由参数： Z)5klg$c  
 反射镜1后y方向的光束半径 ?b"Vj+1:x  
 反射镜2后的光束半径 b|6!EGh  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） *F|+2?a:$  
 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。 BCBUb  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 qw2)v*Fn  
|@ *3^'  
3A d*
,>!  
Rf?%Tv
0\  
1\IZcJ {  
?yf_Dt  
自由参数： zsQF,7/}B  
 反射镜1后y方向的光束半径 WAv@F[  
 反射镜2后的光束半径 *0\k Z,#BJ  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ,# eO&  
 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。 ET3,9+Gj  
2^J/6R$  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 d=F)y~&'  
;AltNGcM  
F'XlJ M  
结果：使用GFT+进行光束整形 61kO1,Uz*  
7BS/T  
%; qY'+  
X
~%IM1+L;  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 Cc*|Zw  
Bu':2"7  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 dX0x Kk%#  
ZRO.bMgZF  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 [d\#[l_  
$6Z[|9W^A  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： "(N-h\7Ex9  
gsi<S6DQ8  
il7!}  
j~.u>4  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd /CbkqNV  
.C6gl]6y@  
结果：评估光束参数 <9T [yg  
.N&QW `  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 hl}dgp((  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 vRxL&8`&  
aK-N}T  
WVj&0  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 )2/b$i,JKk  
 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） Of!|,2`(  
gl Li  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd D8W(CE^}  
=w t-YM  
光束质量优化 /1U,+g^O>  
m[{nm95QZ  
 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。 =\*S'Ded  
 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）。 :K?iNZqWN6  
H_v/}DEG  
结果：光束质量优化 omr:C8T>  
jjNxatAN  
 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。 (]oFB$  
MuN[U17FB  
|I4D(#w.  
oK%K+h  
 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。） 8}]l9"q(  
+HYN$>  
x[zKtX  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd Q^\{Zg)p  
jD$;q7fB  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 HdDo&#  
Z8N@e<!*~8  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 \z<ws&z3`$  
r@\,VD6J  
 这意味着参数变化是的正态 ]KfghRUH  
8.6no  
Z1E`I89<  
   ] `b<"  
 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。 EY=\C$3J:  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 `\4RFr$  
|s)VjS4@  
fq)Ohb  
qen44;\L  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run U0lqGEZ  
1)nM#@%](h  
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） /TR"\xQF  
n3-GnVC][  
1mvu3}ewx  
n#/U@qVgc  
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。 `Pz!SJ|  
5x93+DkO\  
总结 D~[N_  
&z{dr~  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 8,Q.t7v  
1.模拟 p0%6@_FT~  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 -;W\f<q]  
2.研究 oRtY?6^$  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 sYW1T @  
3.优化 V{/)RZ/  
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。 M9ter&  
4.分析 ?(|TP^  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 o}j_eHl{  
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。 KBUAdpU8  
giA~+m~fN  
参考文献 Cv?<}q  
[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). @eAGN|C5  
mYsuNTx!.  
进一步阅读 O4'kS @  
qW`XA  
进一步阅读 V@54k*V  
 获得入门视频 Xm0&U?dZB  
- 介绍光路图 NUxAv= xl  
- 介绍参数运行 Y_aP:+  
 关于案例的文档 wAj(v6  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens |{}d5Z"5;}  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ID{Pzmt-  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing pE YrmC  
- 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