[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） de[NIDA;`  
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 5PP^w~n  
g>`D!n::n  
*)oBE{6D  
简述案例 6Q{OM:L/;.  
gvL*]U7  
系统详情 t2|0no  
 光源 .q!
i +0  
- 强象散VIS激光二极管 1/6}E]-F  
 元件 AJ3Byb=.  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） Og?GYe^_  
- 具有高斯振幅调制的光阑 ,]y_[]636  
 探测器 +ZFN8  
- 光线可视化（3D显示） 0}|%pmY`  
- 波前差探测 '(ZT}N  
- 场分布和相位计算 *i!t&s  
- 光束参数（M2值，发散角） 2L51H(  
 模拟/设计 ps:E(\  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 DJqJ6z:'  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： sE!g!ht  
 分析和优化整形光束质量 V 'fri/Z  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 gv i!|!M=  
"v0SvV<7  
系统说明 |CQ0{1R1  
:"b:uQ  
,DEcCHr,  
模拟和设计结果 _::ssnG3jT  
7{9M ^.}  
数值探测器结果 JxEz1~WK &  
Y##lFEt  
L:Mjd47L  
oiD{Z  
'MNCJ;A@V  
总结 Prc1U)nfo  
'Z%1Ly^b  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 P8;1,?ou  
1.模拟 `)MKCw$e  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 Y^;izM}  
2.评估 u1d%wOY  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 xVN!w\0  
3.优化 LB9W.cA   
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。 c\O2|'JzE  
4.分析 BHErc\ITP  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 {wDe#c{_  
7#7|+%W0  
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。 7W5Cm\  
@Pi]kWW})  
详述案例 1'8-+?r  
@2-;,VL3  
系统参数 1KR4Wq@  
;d_<6|*M  
案例的内容和目标 6s ~!B{Q  
$xF[j9nM  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 u,N<U t  
R|``A5zQ  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 \w(0k^<7  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 :2')`xT  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 Ww#!-,*]o  
B7'yc`)H  
模拟任务：反射光束整形设置 FV,aQ#  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 NzeiGj  
6BM$u v4  
Z+[W@5q  
$H]NC-\+>  
|`V=hqe{  
%Y5F@=>&  
规格：像散激光光束 KGI<G  
gr{*wYL  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 )%f]P<kq6  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 )UVekkq>Q  
|YfJ#Agm+  
W )Ps2  
OPogH=vf  
{K?e6-N(z  
'T3xZ?*q=  
规格：柱形抛物面反射镜 U\-.u3/  
                         m&be55M;  
 有抛物面曲率的圆柱镜 w|*D{`O  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 WW!-,d{{@  
 曲率半径等于焦距的两倍 82?LZ?!PD  
% I2JS  
>B*
zzj  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） VwK7\jV  
5P 5Tgk  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 6E^9>  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） V)ag ss w?  
 离轴角决定了截切区域 FP*kA_z$  
J(=y$8xje  
规格：参数概述（12° x 46°光束） ^uVPN1}b^@  
V{x[^+w7X~  
   q(1hY"S"}b  
lLglF4  
光束整形装置的光路图 &fU48n1Uh  
jR@>~t[}o  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 \g)?7>M|  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 ;lhW6;oI'  
JLjs`oqh  
反射光束整形系统的3D视图 C',uY7}<  
ez5>V7Y  
\$F#bIjC  
/
~c9'38  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 EVA&By6_k  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 5Nbq9YY  
6VJS l%X  
详述案例 W{j(=<|<  
KDA2 H>  
模拟和结果 Hc8!cATQk  
}9;mtMR$  
结果：3D系统光线扫描分析 0W+RVp=TL1  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 |Z+qaq{X  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 7+hc?H[&'  
Z/4bxO=m  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd \pSRG=`  
*Gj`1#Z$  
使用参数耦合来设置系统 Z J1
@z.  
dk]A,TB*2  
自由参数： 6Lg#co}9  
 反射镜1后y方向的光束半径 <i`s)L  
 反射镜2后的光束半径 <54KWC86)J  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ej=}OH4  
 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。 U!JmSP  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 Vh]=sd<F  
H6`zzH0"  
&!HG.7AY  
+[$Td%6  
?Jgqb3+!
o  
j_0l'Saj  
自由参数： &4l!2  
 反射镜1后y方向的光束半径 JRAU|gr  
 反射镜2后的光束半径 1Oak8 \G  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） w]V684[>  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 dP]Z:  
r/HG{XH`  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 ?`6Mfpvj96  
Vf=,@7  
7_lgo6  
结果：使用GFT+进行光束整形 |t;Ktl  
T]b&[?p|a[  
z=8l@&hYLq  
3x z z* <  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 Uv=)y^H~*A  
q^<;B Y  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 ,JPDPI/a  
`FX?P`\@I  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 N4{g[[ T  
C]ax}P>BQ  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： VMNd
C}  
:?i,!0#"  
'RNj5r  
~L>&
p  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd h96<9L  
^W^Y"0y9`  
结果：评估光束参数 t_(Se  
>N}+O<Fc  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 0TiDQ4}i[  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 DQ0 UY  
;$qc@)Uwp  
 ;CV'
 
 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。 )5o6*(Y  
 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） %z"$?Iv  
T~p>Ed9  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd l^$U~OB8k  
F#qc#s  
光束质量优化 Y'R/|:YL@  
y'JJ#7O=  
 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。 ]xIgP%  
 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）。 P;|63"U  
|]-~yYqP3  
结果：光束质量优化 Uf?+oc'{  
V_|
HzYJJ5  
 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。 "ZmxHMf  
&iy7It  
+]hc!s8  
^lK!tOeO  
 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。） 2t=&h|6EW  
IQmlmu  
X6?Gxf,  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd X3ZKN
;  
yV&]i-ey  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 a<((\c_8G  
]a:T]x6'  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 hWX4 P  
bPl'?3  
 这意味着参数变化是的正态 Ct3+ga$  
1D~B\=LL}  
_~*ba+
{  
   X'2%'z<  
 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。 ^6!8)7b  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 =Prz|
 
~4ijiw$  
LXR>M>a`  
(YYwn@NGj  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run T+!0`~`  
T%YN(f  
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） \,I{*!hw  
e.!~7c_z?  
=v{
R(IX%  
X{h[   
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。 V:g
XP1P  
nyG5sWMpe  
总结 wFBSux$  
QxBH{TG  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 :a( Oc'T  
1.模拟 aZta%3`)  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 h?GE-F  
2.研究 W:2]d  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 .e5
rKkkT  
3.优化 G/KTF2wl7  
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。 SMQC/t]HT  
4.分析 ^4{{ +G)j  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 6(q8y(.`  
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。 g_"B:DR  
G[P<!6Id!p  
参考文献 !zfV(&  
[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). 3tmS/tQp  
o;pJjC]  
进一步阅读 #}
UI  
`3dGn.M  
进一步阅读 os+]ct  
 获得入门视频 Mo4igP  
- 介绍光路图 *uF Iw}C/  
- 介绍参数运行
c{i\F D  
 关于案例的文档 9
}d^ll&  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens qp/nWGj  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 36 ]?4, .  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 1Msc:7:L  
- 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