[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） `9s5 *;Z  
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 %&4sHDP  
W*u Yb|0  
T
WEmW&Q  
简述案例 8Y sn8  
#_QvnQ?I  
系统详情 tu6c!o,@  
 光源 %@G<B  
- 强象散VIS激光二极管 w%VHq z$  
 元件 | 3!a=  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） Y@TZReb  
- 具有高斯振幅调制的光阑 E4HG`_cWb  
 探测器 PsEm(.z  
- 光线可视化（3D显示） b@Ik c<  
- 波前差探测 ^lB1- ;ng  
- 场分布和相位计算 TWQf2  
- 光束参数（M2值，发散角） lK9us  
 模拟/设计 `{N0+n  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 C"<l}  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： SBAq,F'  
 分析和优化整形光束质量 rV"<1y:g  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 `w@fxv
 
G! zV=p  
系统说明 2!-ZNd:(+  
c*1t<OAS~  
P_
z3TK  
模拟和设计结果 )j4]Y dJ  
VZ}^1e  
数值探测器结果 s)_7*DY  
n9050&_S  
E&#AX:  
pTST\0?  
{Lk~O)E  
总结 =~?2i)-mC  
z=N'evx~  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 4G;+ETp  
1.模拟 245(ajxHC  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ,`^B!U3m   
2.评估 Qa5<go{  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 yj `b-^$?  
3.优化 DFwkd/3"  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 sI@m"A  
4.分析 ..Zuy|?w  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 /wljbb/s  
w[uK3Av  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 KR^lmN  
Fs|fo-+H}k  
详述案例 % rRYT8  
RN5\,>+  
系统参数 [~W"$sT  
8
%_XJyg  
案例的内容和目标 Agl5[{]E  
y{uRh>l  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 M+gQN}BAr  
[`Ol&R4k  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Gk;==~  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 |<\o%89AM  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 J*-m!0 5  
/j0<x^m/  
模拟任务：反射光束整形设置 >5% o9$|z  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 eZ[CqUJ&  
czi$&(N0w$  
}9/30  
"6['!rq0  
1tDd4r?Y  
V9`VFO  
规格：像散激光光束 5,:>.LRA  
=W.b7 6_  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 WB'&W=  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 L}h?nWm8  
Tsxl4ZK  
Pz,kSxe=  
S)iv k x  
SpdQ<]  
G!RbM.6  
规格：柱形抛物面反射镜 t.t$6+"5We  
                         "diF$
Lj  
 有抛物面曲率的圆柱镜 rZLTai}`>  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 b2aPo M=  
 曲率半径等于焦距的两倍 w,SOvbAxX2  
XpJT
/&4  
O]DZb+O"  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） ?[hIv6c  
"a6[Fq
Ts  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 eGHxiC  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 'H`aQt+  
 离轴角决定了截切区域 ]{jdar^
 
q!\K!W\  
规格：参数概述（12° x 46°光束） mDEO$:A  
Z `sM(?m  
   kl4FVZof  
EdlU}LU  
光束整形装置的光路图 q(p]6Ha|  
'`p#%I@  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 U$Z)v1&{  
 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。 8)\TdtBf9  
l ~CYxO  
反射光束整形系统的3D视图 ;{[&&qMwU  
eU&[^  
{'C PLJ{R  
pUutI|mt/  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 8iaP(*J  
 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）。 es 8%JTi  
:V*c9,>ZO  
详述案例 u|&"l  
X31[  
模拟和结果 vnwS&;-k~  
48vKUAzx`  
结果：3D系统光线扫描分析 u&z5)iU  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 btoye \rl  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 FpN>T  
\B/+.\  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd o
*)>
aw  
141@$mMzE  
使用参数耦合来设置系统 P&@ 2DI3m  
1vk&;  
自由参数： %"B+;{y(5  
 反射镜1后y方向的光束半径 &o%IKB@  
 反射镜2后的光束半径 >Vc;s!R  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） D@A@5pvS  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 Mhp6,JL  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 -XBD WV  
=$xxkc.~G  
+NWhvs  
vncLB&@7  
"I+71Ce  
8 :B(}Y4K  
自由参数： &v9*D`7L  
 反射镜1后y方向的光束半径 uvC ![j^~  
 反射镜2后的光束半径 kEiWE|  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） _]zm02|  
 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。 6/
e+=W2  
a^/j&9  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 F
bO\#p s  
xh|NmZg  
xNDX(_U>\  
结果：使用GFT+进行光束整形 zv/owK  
_UU-  
h2~b%|Pv  
=, kH(rp2  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 QE8;Jk-  
%*J'!PC9n  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 /A$mP)}tz  
BO]}E:C9  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 R;D|To!  
<;)qyP  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： 3s25Rps  
~d5f]6#`  
wX?<o  
IbV 7}  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd '1rHvz`B/"  
RC{|:@]8  
结果：评估光束参数 4l)Q  
N-C=O  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。  3"B$M  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 XQW9/AzNf  
xi3  
Iq/V[v  
 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。 lxSCN6  
 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） )GgO=J:o  
bSbUf%LKt  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd WBOe
bv  
)o51QgPy  
光束质量优化 EGD&/%aC  
(zv)cw%  
 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。 'UW]~  
 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*6-
?@  
6KpG,%2L#  
结果：光束质量优化 dJ/(u&N  
(}^Qo^Vr  
 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。 H<YhO&D*u  
~:PuKx  
(A<'{J#5,  
;Nfd  
 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。） {Kdr-aC  
Aw~N"i  
^TWMYF-  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd RCCI}ovU  
3d_PY,=1  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 HW,2x}[  
L~Hgf/%5  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 6<%W8m\  
FXF#v>&  
 这意味着参数变化是的正态 X!'nfN  
;8VvpO^G/  
(K"8kQLY  
   DnY7$']"|  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 ;R#:? r;t  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 k~P{Rm;F  
+0)zB;~7  
z'9Mg]&>  
ga#Yd}G^~3  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run !Eof7LUE  
gp?|UMA9.  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） "?[7oI}c&  
E\ 'X|/$a  
l>H G|ol  
BUp,bJpO  
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。 0lyCk}c  
Y64B"J=P9  
总结 XyM?Dc5,  
P@RUopu,i  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 9F*],#ng  
1.模拟 G0u3*.  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 fUJ\W"qya  
2.研究 cdH Ug#  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 `6t3D&.u0  
3.优化 p| #gn<z}  
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。 lvyD#|P  
4.分析 ;~Em,M"o  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 |B0.*te6  
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。 cuw3}4m%  
qtv>`:neB  
参考文献 @3UVl^T  
[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). H=7zd|W  
_`Abz2s  
进一步阅读 0 CJ4]mYl  
ElEa*70~g  
进一步阅读 9hG+?   
 获得入门视频 ]:Q7Gys  
- 介绍光路图 .)wj{(>TJ  
- 介绍参数运行 CwV1~@{-  
 关于案例的文档 qM$~5uu  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens >QusXD"L>  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ;-G!jWt6Zi  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing yk5T"#'+  
- 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