[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） C6cEt5  
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 1*ui|fuK  
wSd o7Lb  
]Y
@B= 5e/  
简述案例 E4dN,^_ F!  
0N(o)WRv  
系统详情 95^A !  
 光源 N)N\iad^  
- 强象散VIS激光二极管 `UDB9Ca  
 元件 MH=;[| N  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） *='J>z.]  
- 具有高斯振幅调制的光阑 )Me$BK>  
 探测器 O0Sk?uJ<  
- 光线可视化（3D显示） hd)HJb-aR  
- 波前差探测
)mF;^3  
- 场分布和相位计算 5$.e5y<&(  
- 光束参数（M2值，发散角） }*s%|!{H  
 模拟/设计 \OX;ZVb?5  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ofIw7D*h  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： G>yTv`-  
 分析和优化整形光束质量 7U_OUUg  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 >p|tIST  
"[t (u/e  
系统说明 _6k ej#o8  
}4A $j{\  
smTPca)7s  
模拟和设计结果 HE0@`(mCpa  
U#=5HzE  
数值探测器结果 dZ"w2ho  
TaI72"8  
u>W:SM  
1so9w89  
ueD_<KjE=  
总结 =@EX!]=x  
y-i6StJ  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 M8HHyV[AmC  
1.模拟 Gl@}b\TB  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 @0{vA\  
2.评估 u^Sa{Jk=  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 TCI%Ox|a  
3.优化 RC>79e/u<  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 #2qDn^s  
4.分析 ] 3UlF'{  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 1FfSqd  
WQ>y;fi5/{  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 +M^+qt;]V  
*t3
uj  
详述案例 8M&q  
yRF %SWO  
系统参数 y6C3u5`  
>.X& v  
案例的内容和目标 ]6BV`r]  
WY)*3?  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 VwKo)zH  
DN%b!K
:  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 EFqYEDXW  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 2Sg^SZFH+o  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 [zv@}@$  
)EhRqX9  
模拟任务：反射光束整形设置 Je1'0h9d  
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。 #o/  
V^[B=|56  
R$Or&:E ^  
)=]u]7p}  
Q6lC:cB<  
<<5x"W(,  
规格：像散激光光束 4[o/p8*/  
xP61^*-2  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 7i@vj7K  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 J+o6*t2|  
zD z"Dn9  
p}:"@6
  
[]I_r=  
9iy3 dy^  
Y:-O/X  
规格：柱形抛物面反射镜 X]T&kdQ6q  
                         o NqIrYH'  
 有抛物面曲率的圆柱镜 5H!6#pqM  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 1@"os[9  
 曲率半径等于焦距的两倍 k`u.:C&  
EK=PY  
=)Z~w`  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 4/J"}S  

z3mo2e  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 1X,\:F.-+  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） %m5&Y01  
 离轴角决定了截切区域 L7rH=gZ&!]  
RAUD8Z  
规格：参数概述（12° x 46°光束） ~qu}<u)P  
5xIOi(3`Q  
   VTIRkC wl@  
:5, k64'D  
光束整形装置的光路图 !0DOj["  
hqwDlapTt  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 )r|Pm-:A{  
 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。 nSR<(-j!  
p/WE[8U  
反射光束整形系统的3D视图 UJ^MS4;I3  
H2oD0f|  
.;,` bH0  
:|TQi9L$rj  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ;cD&qheDV  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 1h,m  
iQ#dWxw4  
详述案例 55K(]%t  
5kdh!qy[$,  
模拟和结果 u|EHe"V"  
7S.E,\Tws  
结果：3D系统光线扫描分析 8d|#W  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 K^f&+`v6_  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 FL?Ndy"I  
'eDV-cB  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd $dkkgsw7
 
?j|i|WUD  
使用参数耦合来设置系统 -hpC8YS  
=?oYEO7  
自由参数： {O"N2W  
 反射镜1后y方向的光束半径 MNWuw;:v  
 反射镜2后的光束半径 <4,LTB]9-  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） PGNH<E)  
 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。 < s1  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 f*E#E=j  
8;GuJP\  
d6vls7J/4  
?f&O4H
 
8L
_]_  
qfS ]vc_N  
自由参数： ]!'9Y}9a  
 反射镜1后y方向的光束半径 DC+l3N  
 反射镜2后的光束半径 u81@vEK:_  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 4KnrQ-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。 7?W
1i{(  
0jmPj
 
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 >^TcO  
V PaW-o  
y@2$sK3K  
结果：使用GFT+进行光束整形 q:vc;y  
!v68`l15  
Gm.2!F=R4A  
:=e"D
;5  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 @l %x;`E  
>`o;hTS  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 h;JO"J@H  
wq =Ef  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 Xn #v!  
45U!\mG  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： t~kh?u
].j  
W+`T:Mgh  
~d"9?K^#  
L,_Z:\^  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd eYD-8*  
\SyG#.$  
结果：评估光束参数 DtglPo_(  
[I2vg<my  
 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。 s]'EIw}mo  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 FfpP<(4  
Qa@] sWcM  
R>y/Y<5=  
 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。 QUKv :;  
 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） <}('w/  
1;"DIsz@d  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd gH:+$F
A  
Ux+UcBKm-  
光束质量优化 Sgq" 3(+%,  
{N'<_%cu  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 2f0qfF  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 r O-=):2  
[iUy_ C=qp  
结果：光束质量优化 \Y^GA;AMQQ  
\kEC|O)8  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。 jSdW?IH  
z#Db~  
q"$C)o  
F42?h:y8I  
 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。） 'tn-o  
c
xpG6c  
6~tj"34_  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd Zr|z!S?aSC  
l9vJ]  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 h%8C_mA  
?F/)<r  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 s}g3*_
"  
<m0m8p"G  
 这意味着参数变化是的正态 dLtmG:II  
@YHt[>*S  
MoC@n+Q+@  
   {4YD_$4W  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 L17{W4  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 *^i"q\n5(  
V#TNv0&0  
ra}t#Xt`  
SdNxSD$Q  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run tKYg  
a3c43!J?M  
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） -7(,*1Tk  
mu$rG3M  
~*hCTqHvN  
i#:M2&twE  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 Ls
/*&u  
v{pW/Fu~  
总结 d-'BT(@:  
("P]bU+'>  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 7=a=@D[  
1.模拟 K:b^@>XH  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 =?[:Nj636  
2.研究 i0'g$  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 ;"JgNad  
3.优化 C=8IQl[^e  
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。 VYnB&3%DF  
4.分析 NS){D7T  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。  & {=}U  
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。 .\mkgAlyaM  
NfND@m{/  
参考文献 x\aCZ  
[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). [i8Ju  
cf%aOHYI*  
进一步阅读 1^tM%2rP'  
<$Djags,F  
进一步阅读 d"OYq
 
 获得入门视频 'tJxADK  
- 介绍光路图 yi*EE%  
- 介绍参数运行  3 EOuJ  
 关于案例的文档 N*SUA4bnuM  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 9e;8"rJ?C  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ;^cMP1SH  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing A@jBn6  
- 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