[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） _>J`e7j+  
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 #T=e p0  
H`s[=Y,m  
z|8zNt Ug  
简述案例 u'T?e
+=  
0Ibe~!EiQJ  
系统详情 b}&.IJ&40j  
 光源 22/"
0=2g  
- 强象散VIS激光二极管 pQi|PQq  
 元件 ${e5Ka  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） BvS
!P8  
- 具有高斯振幅调制的光阑 E9\u^"GVO  
 探测器 :_|Xr'n`A  
- 光线可视化（3D显示） PqMu2 e  
- 波前差探测 /r8sL)D+  
- 场分布和相位计算 \]0#jI/:  
- 光束参数（M2值，发散角） PJT$9f~3;.  
 模拟/设计 mNlbiB  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 J"-/ok(<@  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： |AXV4{j_i  
 分析和优化整形光束质量 0oe2X1.%  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 j\HZ5  
hC4 M}(XM  
系统说明 A ^t _"J  
07]9VJa  
\opcn\vW  
模拟和设计结果 >sZ_I?YDs  
8)>4ZNXz  
数值探测器结果 Yx&d\/9  
MDZPp;\)  
KGGnypx`  
Uz=ol.E  
rk47$36X  
总结 'w=aLu5dY  
N8DouDq  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 E#Ol{
6  
1.模拟 o;21|[z  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 SkmKf~v  
2.评估 9 e|[9  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 Y6T{/!  
3.优化 &Ez+4.srkh  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 -q(*)N5.2  
4.分析 a)L|kux;l  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 X3][C  
+-T|ov<  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 `.Zm}'  
#.vp\W  
详述案例 )%<,JD  
OdOn wY  
系统参数 CfVL'  
%{Obhj;c  
案例的内容和目标
mi1^hl'2  
*\B(-  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 '-mzt~zGOY  
,M:[GuXD<  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 a|(|!=  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 aPRMpY-YC3  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 i(Zz
E  
z "z  
模拟任务：反射光束整形设置 C^c<s  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 4l>U13~#  
i'10qWz  
~YenH  
Q`{Vs:8X  
hi4-Z=pl  
)L7[;(gQ  
规格：像散激光光束 =*{7G*tS  
A-d<[@d0  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 [XH,~JZJj  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ]o8yZ x  
p8"C`bCf  
x iz+R9p  
?NvE9+n  
!1K.HdK  
Y;i
I=U  
规格：柱形抛物面反射镜 O S#RCN*  
                         SrGJ#K&%  
 有抛物面曲率的圆柱镜 O9m sPb:  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 &gW<v\6,  
 曲率半径等于焦距的两倍 @=2u;$.  
^6Zx-Mf\  
DC8\v+K  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） rP,|  
@' %XdH  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 K4H2
7SH  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） BG)zkn$  
 离轴角决定了截切区域 _\8E/4zh  
[mNum3e  
规格：参数概述（12° x 46°光束） &/:c?F?l  
:fnJp9c  
   =[[I<[BZq  
Zop/ MeI  
光束整形装置的光路图 Z15=vsV  
&y7=tEV  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 TXT<6(  
 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。 i
3KAJ@  
_/
"e'@z  
反射光束整形系统的3D视图 \So)g)K  
e>6W ^ )  
9V~hz
(^  
6xY6EC  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 qrjSG%i~J7  
 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）。 #T8jHnI  
lxbC 7?O
 
详述案例 M= |is*t  
LNrM`3%2-  
模拟和结果 "=KFag  
>|gXE>  
结果：3D系统光线扫描分析 O*lIZ,!n  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 b|G~0[g  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 NH:Bdl3  
XR p60i6f  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
V$:%CIn  
\zBZ$5 rE  
使用参数耦合来设置系统 '66nqJb*  
t/%[U,m  
自由参数： U%Hcck'  
 反射镜1后y方向的光束半径 ;49sou  
 反射镜2后的光束半径 Fp"c {  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） fZS'e{V  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 H;@0L}Nu+}  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 k^cnNx  
6' \M:'<0e  
1
{RA\CF  
*-.`Q  
69Z`mR  
j9w{=( MV  
自由参数： t$p%UyVE  
 反射镜1后y方向的光束半径 WP Gp(Xw  
 反射镜2后的光束半径 ~BgYD)ov  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） wlh%{l  
 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。 jq_4x[  
*lu*h&Y  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 UF\k0oLz  
+afkpvj8  
0B2f[A  
结果：使用GFT+进行光束整形 tu@-+<*  
aI}htb{m`  
a@9W'/?igk  
C43I(.2g  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 7Up-a^k^`  
J-azBi  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 %U.x9UL  
vXSA_"0t  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 rTOex]@N  
{K|ds($ 5  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： xc05G
J  
,6f6r  
usu{1&g  
jaVx9FR+  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd {A%&D^o)  
hOs~/bM  
结果：评估光束参数 .vIRz-S  
Nv=%R  
 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。 $RHw6*COG  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 Z^J)]UL/  
(Hmhb}H  
vDR> Q&/K  
 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。 !:uh? RW  
 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） naeppBo  
nDLiER;U  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 9\E];~"iP  
~H[_=  
光束质量优化 ]D^; Ca  
v0;dk(  
 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。 RaymSh  
 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）。 %+;amRb  
;qUd]c9oi  
结果：光束质量优化 CHL5@gg@>y  
O -p^S  
 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。 .\)e

k[?  
cA]PZ*]{BN  
uMZ<i}  
MRK3Cey}%  
 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。） gy#G;9p  
1pN8,[hyR7  
G!Y7RjWD  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd qV``' _=<  
`V*$pHo  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 'k<~HQr  
u=#_8e(9Z  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 h<WTN_i}  
v
|jwz.jM  
 这意味着参数变化是的正态 =}e{U&CX  
6}\J-A/  
lZ`@ }^&  
   hs
I9{j]f  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 ^~bAixH^k  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 Ro2!$[P
 
<#T#+uO  

"M %WV>  
w (ev=)7<  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run :<1PCX2  
g\aq#QV  
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） &>ykkrY  
1nE`Wmo.2  
3Z%jx#  
f4|ir3oy  
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。 1ZWr@,\L  
d#I; e  
总结 ~(^?M  
^Uik{x  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 1{h,LR  
1.模拟 Cv]$w(k  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 5hlS2fn  
2.研究 Wr4Ob*2iD  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 irGgo-x  
3.优化  LD}<|  
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。 gy5R"_MU  
4.分析 njb{
  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 {iTA=\q2O  
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。 |W|RX3D  
[*Vo`WgbD  
参考文献 u#$sO;8s  
[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). !XF:.|  
?T'a{~]R  
进一步阅读 R^JtWjJR  
GVM)-Dp]  
进一步阅读 z3yAb"1Hg  
 获得入门视频 !L@a;L  
- 介绍光路图 4ZT0~37(  
- 介绍参数运行 8fb<hq<  
 关于案例的文档 T2XLP  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens Tpp?(lT7r  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens IvB)d}p  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing M#SGZ~=1r  
- 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