[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） axHK_1N{  
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 9}
B`uJ  
iK?b~Q  
{;2vmx9  
简述案例 BmHwu{n'  
MNH1D!}  
系统详情 !6Sd(2  
 光源 2F%W8Y3  
- 强象散VIS激光二极管 So
ie^$ Y  
 元件 8/z3=O&  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） }F+zs*S  
- 具有高斯振幅调制的光阑 :V2bS  
 探测器 kNu'AT#3|  
- 光线可视化（3D显示） *9)SmSs  
- 波前差探测 1 T130L  
- 场分布和相位计算 nhG J  
- 光束参数（M2值，发散角） IVr 2y8K  
 模拟/设计 2<mW\$  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 [~:-&  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： 2,aPr:]  
 分析和优化整形光束质量 +GsWTEz  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 .To;"D;j,  
K7
8rg/`  
系统说明 e!fqXVEVR  
y*{Zbz#{  
zrVC8Wb  
模拟和设计结果 i&8FBV-  
T0
)"1D<l  
数值探测器结果 rbT)=-(  
c*d9'}E  
S osj$9E  
VF&Z%O3n  
qo)?8kx>l  
总结 R:p62c;Tv0  
P;PQeXKw  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 {brMqE>P#  
1.模拟 0J.dG/I%  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ]d[ge6  
2.评估 ND<!4!R^  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 >zkRcm  
3.优化 R(j1n,c]  
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。 ylKmj
]A  
4.分析 /v095H@  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 c:83LZ  
Nr2C@FU:0  
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。 :V)lbn\  
)XQ`M?**M  
详述案例 \,!QJp4  

mVtXcP4b  
系统参数 M8k"je7`s  
Y-ux7F{=z  
案例的内容和目标 N8KQz_]9I  
QZ `tNq :/  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 74<!&t  
A?G IBjs  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 yBLK$@9  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 &;LqF#ZL  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 Z -%(~  
bbxLBD'  
模拟任务：反射光束整形设置 PiFD^w  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 c62=*] ,  
tgL$"chj@x  
3cj3u4y  
X &2oPo  
\U%#nU{  
<lr*ZSNY  
规格：像散激光光束 MH|]\  
z}SND9-"  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 d@mo!zu  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 wV?,Z!\Z  
cYNJhGY  
-Xz?s  
`SO|zz|'  
\3Oij^l0  
W;?(,xx  
规格：柱形抛物面反射镜 dQezd-y*  
                         v+6@cC  
 有抛物面曲率的圆柱镜 uhN%Aj\iu(  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 (3\Xy   
 曲率半径等于焦距的两倍 Dj\e@?Y  
W{XkVKe1a  
57F%j3.|/  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） - ~O'vLG  
{|9}+ @5Q1  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 4([.xT  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） FDR1Gy  
 离轴角决定了截切区域 a)*6gf<5  
@|bP+8oU  
规格：参数概述（12° x 46°光束） lA>\Ko  
/Tz85 [%6  
   4X NxI1w)  
{5c]Mn"r  
光束整形装置的光路图 ^SEdA=!  
jdevat,&u  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 T0j2a&Pv  
 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。 vUQFQ  
eX&Gw{U-f  
反射光束整形系统的3D视图 b syq*  
}:iBx  
oFg5aey4  
Hv#q:R8  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 TOl}U  
 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）。 dAx96Og:X"  
%XhfXd'  
详述案例 'p)Q68;&  
QhGXBM  
模拟和结果 jyW[m,#(go  
tP ~zKU  
结果：3D系统光线扫描分析 %@&a7JOL  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 Y5A~E#zw  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 l52a\
/  
WoL9V"]  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ~pP0|B*%  
QHf$f@bjI  
使用参数耦合来设置系统 t7#lsd`_  

vTr34n  
自由参数： U+]Jw\\l  
 反射镜1后y方向的光束半径 8?TKN~ja  
 反射镜2后的光束半径 cErI%v}v0  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）  SVP:D3)  
 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。
[_DPxM=V  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 T)u4S[ &  
:x>T}C<Y  
:,]S}R  
/dHs &SU,  
jThbeY[  
dK?);*w]  
自由参数： u,i]a#K  
 反射镜1后y方向的光束半径 f|0lj   
 反射镜2后的光束半径 8q_0,>w%  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） yM$J52#d#  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 I/u9RmbU  
:A
m-8  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 6o}V@UzqV  
mPt)pn!rA  
a#(U2OP  
结果：使用GFT+进行光束整形 7s>a2  
\d68-JS@~  
/J%do]PDl  
(}H ,ng'4  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 744=3v  
P[gO85  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 k'13f,o}  
IvU{Xm"qB  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 wz#[:2  
eqzTQen8q  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： @@pq'iRn  
*re 44  
r#h {$i
W  
t{(Mf2GR1  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Du_$C[  
}""p)Y&  
结果：评估光束参数 8]*Q79  
iz x[  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 c>MY$-PD  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 B3b,F
#  
'C]jwxy  
_EKF-&Q6  
 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。 edN8-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） fEiJ~&{&  
&+;uZ-x  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd Z`xyb>$  
|HgfV@Han  
光束质量优化 A~y VYC6l  
BR3mAF  
 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。 0VG=?dq  
 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）。 Fzs>J&sY&  
y9 uVCR
 
结果：光束质量优化 pI^=B-7  
+{vQSFW  
 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[|%c*D&  
Qx.jCy@  
j;0ih_Z@4W  
Ec.)!Hu  
 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。） %F3}/2  
7 6*hc   
s>J3\PC  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd PJwEA  
#_p  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 $~o3}&az  
Lw*1 .~  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 Su4h'&xx  
}~GV'7d1  
 这意味着参数变化是的正态 TAAR'Jz S  
>Jiij  
ORtg>az\%  
   [Yoa"K  
 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。 Ns
~g+C9  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 ;_bq9x  
pP oxVvG{  
C zpsqTQ  
~FNPD'`t  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run Jmy)J!ib*  
Ctj8tK
$D  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） w*2^/zh  
j,ZW[*M  
AG=9b  
PIpWa$b  
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。 1J+3a-0  
`x< 0A  
总结 e mC\i  
{V=vnL--  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 kFnUJM$r  
1.模拟 &}O8w77  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 M3PVixli3  
2.研究 B*BHF95!  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 KwQXA'  
3.优化 R>` ih&,)  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 D~7%};D[  
4.分析 iPNd!_  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 zH'!fhcy  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 h#;?9DP  
&7lk2Q\  
参考文献 DZF[dxH  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). wo$|~ Hr  
ScsWnZ  
进一步阅读 EqYz,%I%  
f};!m=b  
进一步阅读 Y9/{0TArG  
 获得入门视频
37,L**Dgs  
- 介绍光路图 N.k+AQb  
- 介绍参数运行 (PyTq 5:F  
 关于案例的文档 i<0D Z_rub  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ho(5r5SNE  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ?@yank|  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 55(J&q  
- 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