[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） iT&Y9  
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 )GF>]|CG  
~OOD#/  
n<66 7 <  
简述案例 (S k+nD  
AX2On}&bf  
系统详情 0O7VM)[  
 光源 j[\aGS7u  
- 强象散VIS激光二极管 - u'
5xn7  
 元件 C4 @"@kbr  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） WU<C7  
- 具有高斯振幅调制的光阑 #dm"!I>g  
 探测器 Gt5'-Hyo  
- 光线可视化（3D显示） ICXz(?a  
- 波前差探测 yZ57uz  
- 场分布和相位计算 p/.[cH  
- 光束参数（M2值，发散角） ^+q4*X6VB  
 模拟/设计 D}7G|gX1  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 L4H5#?'  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： {_1zIt|  
 分析和优化整形光束质量 WbDD9ZS  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 PvB-C
qc  
d@,3P)?  
系统说明 ?&GV~DYxA  
+q@g  
R.B3  
模拟和设计结果 Jb"0P`senY  
Hy0l"CA*|  
数值探测器结果 xyc`p[n&  
S#l6=zI7^R  
'*,P33h9<!  
i>n)T  
r-k,4Yz  
总结 3# r`e  
+ c"$-Jr  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 XZ!^kftyW  
1.模拟 9q|36CAO_  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 )k'4]=d <  
2.评估 ,I|TjC5  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 b^I(>l-  
3.优化 hhynB^o  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 UO{3vry48  
4.分析 WjsE#9D!of  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ;H:+w\?8f$  
~G*eJc0S:  
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。 q'~F6$kv5  
<
764|q  
详述案例 h|S6LgB  
FR9*WI   
系统参数 H`028^CH$
 
G0VbW-`O  
案例的内容和目标 Zn9ecN  
~*,e&I  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。
ss>p  
K{#1O=Gi  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ?g\SF}2  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 L-\o zp  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ??tNMr5{[  
't:s6  
模拟任务：反射光束整形设置 n:d7 Tv1Z8  
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。 zBd)E21H  
K4>nBvZ?v  
Y;[#~3CA  
x%\m/_5w%  
)@OKL0t  
Cvf^3~q  
规格：像散激光光束 G)'(%rl  
\C
(dWs  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 'HdOW[3o  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ek3,ss3  
A(<"oAe|  
7w]NG`7  
Oe^oigcM  
WOaj_o  
NEG&zf  
规格：柱形抛物面反射镜 wmf#3"n  
                         o/Cu^[an  
 有抛物面曲率的圆柱镜 v%%;Cp73  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 .]\+JTm  
 曲率半径等于焦距的两倍 sF=8E8qa  
'K0=FPB/@  
a6vls]?  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） j%y)%4F8  
=*Ad  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 y$n`+%_  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） U;Ne"Jh  
 离轴角决定了截切区域 ^s=p'&6  
R6KS&Ge_  
规格：参数概述（12° x 46°光束） ,9:0T LLR  
(i*;V0  
   :O(<3"P/  
~>( N<:N  
光束整形装置的光路图 'Oe}Ja  
!ufSO9eDx"  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 Xw2t
CRzD  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 kr
oO~(\  
=p lG9  
反射光束整形系统的3D视图 9J!@,Zsh  
0f<$S$~h  
,Q5Z<\  
%`~?w'  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。
z&@Vg`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）。 1ukCH\YgU  
#ir~v>J||  
详述案例 {hLS,Me  
Wr%E}mX-  
模拟和结果 Td`0;R'<}c  
sP+Z
E>7  
结果：3D系统光线扫描分析 3;h%mkKQ+  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 [7:(e/&  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 q["T6  
gZ^NdDBO  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd sBo|e]m#  
v_zVhEtY  
使用参数耦合来设置系统 dt efDsK  
dIUg e`O9  
自由参数： eI 6G  
 反射镜1后y方向的光束半径 t*&O*T+fgy  
 反射镜2后的光束半径 /4R|QD  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） :]viLw\&g  
 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。 $ 4& )  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 hu G]kv3F:  
BZP~m=kq  
^nS'3g^"  
O'G
,  
v$H]=y  
.-6B6IEI_"  
自由参数： .\?)O+J!  
 反射镜1后y方向的光束半径 <~[A  
 反射镜2后的光束半径 iYyJq;
S   
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） &mM[q'V  
 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。 U#jbii6e  
3r)<:4a u&  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 $
+`   
fgg;WXcT ~  
tyH*epanw  
结果：使用GFT+进行光束整形 5Z`9L|3d  
P7||d@VW,  
YXR%{GUP[  
%Tn0r|K  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ~;f,Ad`Q  
!]
W}I  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 Ier0F7]I  
7%-+7O3ud  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 <Q4yN!6  
bOi`JJ^  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： `xO9xo#  
jH1!'1s|  
N*C"+2  
"v"w ER?  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Uv(THxVh  
!Ol>![  
结果：评估光束参数 pMB~Lt9  
i_? S#L]h  
 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。 }#[MV+D  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。
H!D?;X  
0<{+M`G/  
Kh!h_  
 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。 uKI2KWU?2  
 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） mgB7l0)b  
LM*#DLadk  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd (Ut)APM  
vKzq7E  
光束质量优化 =
]pcC  
X676*;:!.  
 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。 2qb,bp1$  
 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）。 y] Io`w(>  
%n3l
m(-0U  
结果：光束质量优化 Z;^U
Y\&X  
; 7`y
##  
 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。 +%$'(ts  
d$uh.?F5  
?(cbZ#( o  
DQ{Yr>
J  
 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。） M>CW(X  
Zhl}X!:c?\  
?jywW$   
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd o%+8.Tx6wT  
N5ityJIgQ  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 AXV+8$ :R  
+gG6(7&+=  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 zCdQI  
fIo7R-XP  
 这意味着参数变化是的正态 Z7<N<  
&ACM:&Ob  
!5rja-h  
   $
Ik\^:-  
 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。
P"`OuN  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 wG1A]OJl1  
1M|DaAI  
*&b~cyC  
p}qNw`  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 2Uf}gG)  
C3Mr)  
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） uTNmt]  
U"} ml  
"o +" Jd  
;><9R@0  
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。 KGCm@oy  
FFH9$>A  
总结 .JNU3%s  
DP=4<ES%+  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 c;w%R8z  
1.模拟 s6k,'`.  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 FF:Y7wXW  
2.研究 JzA`*X[  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 4}:a"1P"  
3.优化 eGrC0[SH  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 4%Q8>mEvT  
4.分析 ;~Eb Q  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 V j\1HQ  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 |Uz?i7z  
;<Dou7=  
参考文献 :IFTiq5a;  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). 6Sh0%Fs  
n>F1G MX  
进一步阅读 Las
4ux[_  
#4. S2m4  
进一步阅读 yM%,*VZ  
 获得入门视频 eW$G1h:  
- 介绍光路图 (\ `knsE!  
- 介绍参数运行 YKwej@9,  
 关于案例的文档 D*d@<&Bl4<  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens &DdFK.lt  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens jHPJk8@y  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing V\8vJ3.YV  
- 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