[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） wEu"X  
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 45+w)Vf!  
) }.<lSw  
'1u!@=.\G  
简述案例 I]dt1iXu_{  
Eh{]so  
系统详情 #;*0 Pwe`  
 光源 N~/D| ?P~2  
- 强象散VIS激光二极管 f5p:o}U*  
 元件 `~ ,  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） ^P| K2at  
- 具有高斯振幅调制的光阑 _pM~v>~*+  
 探测器 %%-hax.x0X  
- 光线可视化（3D显示） Q;EQ8pL?"  
- 波前差探测 Z6Kw'3  
- 场分布和相位计算 ImnN&[Cu  
- 光束参数（M2值，发散角） +2WvGRC  
 模拟/设计 oI/jGyY;  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 t^Hte^#S  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： VUD ?iv7  
 分析和优化整形光束质量 nGvWlx  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 O,>`#?  
/`)>W :  
系统说明 aLKvl~s;m  
H7=[sL^  
qwz_.=5E6  
模拟和设计结果 XNm%O  
\KpSYX1  
数值探测器结果 ={GYJ.*Ah  
rElbzL"&<  
1`;,_>8  
vxmz3ht,Q  
l[)ZEEP  
总结 '=^$;3Z  
K}(0H[P  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 I,pI2  
1.模拟 TAl#V7PF}  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 $cUTe  
2.评估 !4ZszQg  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ?mjQN|D  
3.优化 ZV?~~_9  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 uBPxMwohR  
4.分析 9)Jc'd|  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 JkiMrpkuk  
zURob MpE#  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 ^9g+\W  
VXpbmg!{S  
详述案例 R>05MhA+  
.^Z^L F  
系统参数 q!5 *)nw"  
AZi|85rN  
案例的内容和目标 6N^sUc0s  
GOx+%`.R\  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 \vU1*:3  
?[|T"bE5[  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 X
w|t.0  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 z g'1T2t  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 e=]>TeqG0  
Ai 9UB=[R  
模拟任务：反射光束整形设置 KG5h$eM'  
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。 @7C?]/8#  
QnWM<6xK"  
)7H s  
g7-=kmr|V  
mM&*_#( 6  
8\85Wk{b  
规格：像散激光光束 &?-LL{W{  
D~< 3  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 bg8<}~zg  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 3e<FlH{  
L;n2,b  
NVTNjDF%s  
z&"-%l.b@}  
/Ww_
fY  
]T3dZ`-(  
规格：柱形抛物面反射镜 j70]2NgX  
                         o9l =Q  
 有抛物面曲率的圆柱镜 jmcb-=ts  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 :[#~,TW  
 曲率半径等于焦距的两倍 E%f;Z7G  
g' xR$6t  
!_EaF`oh(  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） q*<Fy4j  
@Gs*y1  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 X>n\@rTo  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） gZ5E%']sT  
 离轴角决定了截切区域 [I`r[u  
<By6%<JTn  
规格：参数概述（12° x 46°光束） :?Xd&u0){  
&IQp&  
   +&W%]KEh  
{|}tp<:2  
光束整形装置的光路图 _L6WbRu|  
reyN5n~4U  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 nt/+?Sj  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 >bf29tr  
YHVJg?H3  
反射光束整形系统的3D视图 b6IYo!3  
ZWC-<QO"<  
Fh XR!x^  
)\:cL GM  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Pez 7HKW:  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 cT8`l!RD<  
1PMBo=SUe8  
详述案例 _]"5]c&*3  
wAr (5nEbx  
模拟和结果 dbkkx1{>Y  
FuOP+r!H  
结果：3D系统光线扫描分析 @j
%r6N  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 `"0#lZ`n  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 dOm#NSJVd  
5Rv6+d  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd +Xi#y}%  
}+[H~8)5  
使用参数耦合来设置系统 Ni$WI{e9  
Bi"7FF(z  
自由参数： Ni5~Buf  
 反射镜1后y方向的光束半径 `.z;.&x  
 反射镜2后的光束半径 yZ[H&>  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Y[A
L!h  
 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。 360V  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 h[D"O6 y  
r
5b5`f4  
&qki NS  
&zsaVm8  
vUGEzCM  
3~"G(UP  
自由参数： DLYk#d: q?  
 反射镜1后y方向的光束半径 ~X^L3=!vf  
 反射镜2后的光束半径 tT}*%A  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） r;`6ML[5Vx  
 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。 <|~8Ezd  
QN_Zd@K*A  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 1FU(j*~:  
y4aSf2   
xrX^";}j  
结果：使用GFT+进行光束整形 \ajy%$;$}  
/TTmMx*  
>Vr+\c  
]/!#
:  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 _94|^  
6P=6E  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。  k%V#{t.  
75~>[JM  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 )s6pOxWx  
.P\wE";  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： *TY?*H  
+0mU)4n/  
SMVn2H@  
V`Z-m-V~1  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd [*U6L<JI  
MtC\kTW  
结果：评估光束参数 &wsxH4  
Z@fMU2e=Z  
 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。 53d8AJ_@X  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 V3WHp'1  
[psW+3{bG  
bX%9'O[-  
 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。 ec/1Z8}p  
 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） UD`bK a`E  
dieGLA<5_X  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd &*\wr}a!  
_p/ _t76s  
光束质量优化 tW;1  
k3::5&  
 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。 ( /{Wu:e  
 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）。 Heatt?(RR  
7Z0
fMk  
结果：光束质量优化 H(U`
S  
eO#Kn'5  
 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。 I!?-lI@(  
s(W]>Ib  
9|v3lGK(  
hnag<=  
 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。） T)J=lw  
1e.V%!Xk  
n}(/>?/  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd m[6?v;w  
VWqmqR%  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 <eP`Lu"  
c8!q_H~  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 zil^^wT0J  
R{"Kh2q_  
 这意味着参数变化是的正态 c3,YA,skb!  
F)_zR  
ZYr6Wn  
   7}>7@W8  
 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。 KECo7i=e  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 OKs1irt5  
`6a  
I;xrw?=\L  
8."B  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run fz'@ON  
~R-P%l P  
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） KITC,@xE_O  
JB.f7-  
Dy`;]-b6u  
+?r,
Nn  
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。 ZoJ_I >uv  
6U|An*  
总结 \ vf&Ldk  
?:DeOBAb  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 E Dh$UB
)  
1.模拟 aQzDOeTi  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 6 axe  
2.研究 Z
i'}qs$v  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 A=8%2UwI  
3.优化 oPP`)b$x  
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。 ?wM{NVt#-  
4.分析 +/+:D9j ,  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 fCC^hB]'  
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。 =^a Ngq  
Ejxz
X1
:  
参考文献 ?r P'PUB  
[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). miWog8j  
5dwC~vn}c  
进一步阅读 'x/pV5[hQ  
->"Z1  
进一步阅读 ~4-:;8a  
 获得入门视频 D@.+B`bA  
- 介绍光路图 B?M&j  
- 介绍参数运行 nh"8on]M~  
 关于案例的文档 mO#62e4C  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens LT+QW  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens rnNB!T  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing ,u.G6"<  
- 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