[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） y(RK|r  
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 `&yUU2W  
Q!VPk~~(  
TBYRY)~f  
简述案例 [UHDN:y  
>K9uwUi|b]  
系统详情 N5=; PZub  
 光源 }]H_|V*f  
- 强象散VIS激光二极管 X|7Y|0o  
 元件 dEp?jJP$;  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 0iX;%SPYz  
- 具有高斯振幅调制的光阑 |mfQmFF  
 探测器 j[h4F"`-  
- 光线可视化（3D显示） ~o+HAc`=v  
- 波前差探测 mq?5|`  
- 场分布和相位计算 <"@~  
- 光束参数（M2值，发散角）  (Ia}]q  
 模拟/设计 5B?>.4R  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 $3sS&i<  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： RTNUHz;{L  
 分析和优化整形光束质量 <m80e),~  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 Qcz7IA  
B8_w3;x  
系统说明 pI |;  
8
Z!+1b  
-tSWYp{  
模拟和设计结果 85l 1
 
. oUaq|O  
数值探测器结果 u7&r'rZ1_!  
lC+p2OG^[  
)kl| 5i  
F9ry?g=h  
YZf<S:  
总结 ]?xF'3#  
LQ?J r>4  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 r+0"1\f3  
1.模拟 28-6(oG  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 fEdQR->  
2.评估 9tXLC|yl?  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 `pN"T?Pk  
3.优化 $GUSTV  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 iqghcY)  
4.分析 :KZI+  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 bmc1S  
} O9q$-8!  
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。 ji`N1e,l  
LDW"
:k|  
详述案例 NDU,9A.P  
z['>`Kt  
系统参数 
._=Pa)T  
Rs{L  
案例的内容和目标 rZe"*$e  
?.IT!M}DR  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 xg'z_W  
]OM|O
o  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 .jZmQtc  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 ~kYUp5f  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 AASw^A3p  
p<'#f,o  
模拟任务：反射光束整形设置
kW4/0PD  
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。 7tfMD(Q]e/  
R?Ki~'k=  
mgL~ $  

e4ydn  
:f ybH)*  
:qc@S&v@]  
规格：像散激光光束 kUmrJBh$  
LgjL+w19  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ^L+*}4Dr  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 rBkLwJ]  
>:Na^+c  
efy65+~GG  
s&iM.[k  
sk\U[#ohH  
Ha1E /b]K  
规格：柱形抛物面反射镜 A9Q!V01_  
                         '+?AaR&p?  
 有抛物面曲率的圆柱镜 ,u#uk7V  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 <MB]W
`5  
 曲率半径等于焦距的两倍
m beM/  
o=_:g >5  
VJDF/)X3$  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） ^rfY9qMJr8  
[pUw(KV2m  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 h +.8Rl  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） }tF/ca:XPQ  
 离轴角决定了截切区域 `ky< *  
AMG}'P:  
规格：参数概述（12° x 46°光束） =dHM)OXD"  
WM.JoQ  
   8B JxD<  
wdS^`nz|
 
光束整形装置的光路图 U[*VNJSp  
KoRJ'
WW^  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 (wEaa'XL  
 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。 7*^-3Tt83  
x9Fga_  
反射光束整形系统的3D视图 ^ llZf$`  
AqB5B5}  
4*}[h9J}\  
uMh[Ht^.  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 =@AWw:!:,  
 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）。 svCD&~|K#  
K 4QJDC8  
详述案例 OXe+=Lp<  
1uZ[Ewl]  
模拟和结果 I 8vv  
K*&M:u6E  
结果：3D系统光线扫描分析 GwQW I]  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 Oi AZA<  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 91qk0z`N  
@w
y|l)%  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Aayh'xQ  
<nlZ?~
%}  
使用参数耦合来设置系统 usH9dys,  
$}V<Um  
自由参数： &E0L7?l  
 反射镜1后y方向的光束半径 wwrP7T+d  
 反射镜2后的光束半径 jWJq[l  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） :,gnOfV=  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 +KgoLa  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 =}>wxO  
ma9q?H#X  
[zv>Wlf,%  
RO[Ko-m|/N  
:xJ]# t..  
psyxNM=dN#  
自由参数： yTzP{
I  
 反射镜1后y方向的光束半径 @ODwO;_R5  
 反射镜2后的光束半径 nfpkWyIu{  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） u$ C@0d  
 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。 nv&uhu/q  
!$Aijd s5  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 fHhm)T8KB  
IN=pki|.  
ALvj)I`Al  
结果：使用GFT+进行光束整形 \$:KfN>WY  
XndGe=O  
88}+.-3t$  
L#sw@UCK  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 'F%4[3a$\n  
/~3~Xc~=p  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 .K`OEdr<  
.N2yn`
  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 Td#D\d\R  
q-s! hiK  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： _y#omEx  
m|q?g
X9R  
dxqVZksg(9  
sX&.8  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd &v!=\Fig4  
)|;*[S4  
结果：评估光束参数 s_]p6M  
fw>@:m_bK  
 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。 (vte8uQe  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 UeWEncN(  
B$~oZ'4v  
49f- u  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 fDc>E+,  
 M2值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M2值是由光束偏离引起的） Gvo(iOU  
Zgp]s+%E  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd ?DcRD)X  
~;
St,Fw<<  
光束质量优化 1);$#Dlt k  
4R!A.N
9  
 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。 J6x\_]1:*  
 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）。 [c4.E"  
[vki^M5i|Z  
结果：光束质量优化 EubR]ckB  
xGbr>OqkTX  
 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。 l,uYp"F,ps  
||v=in   
>}QRMn|@H  
"sLdkd}dj  
 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。） E_&Hje|J_[  
#1R_* Uh  
Wz$%o'OnC  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd *D`qcv  
~`2w ul  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 $,08y   
}_XW?^/8  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 lJ]r%YlF  
K#M h  
 这意味着参数变化是的正态 Rde_I`Ru  
8)/i\=N3;  
O$x-&pW`g  
   iHjo3_g)n  
 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。
Pg[zRRf<  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 n
Pq\J~M  
(ohkM`83k  
s#w+^Mw$  
wo2^,Y2z+  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run [rqe;00]  
etf ft8  
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） 1=#r$H  
o^RdVSkU;  
$N;!. 5lX3  
5X&<+{bX  
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。 'R_U,9y`  
;]fpdu{  
总结 )|LX_kyW  
9BI5qHEp  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 !~UI~-i'  
1.模拟 N-^\X3X  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 7qE V5!  
2.研究 N(Y9FD;H  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 X
1<)B]y  
3.优化 7i{Rn K6*  
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。 ([|5(Omd\  
4.分析 uW>AH@Pij  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
 %W"\  
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。 (/YC\x
?  
lk.Q6saI1  
参考文献 n!Y.?mU6  
[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). u MzefRN  
1)_f9GR  
进一步阅读 j,/o0k,  
W<!q>8Xn?  
进一步阅读 "]c:V4S#`A  
 获得入门视频 Byldt  
- 介绍光路图 `m2F.^qrr  
- 介绍参数运行 {w!}:8p
 
 关于案例的文档 !c6lP'U  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens O.rk!&N  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens @Jvw"=  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing e}[$ =  
- 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