[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） 'U3+'du^8  
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 "+:~#&r  
j?'It`s  
cQldBc  
简述案例 k-a3oLCR,  
XhxCOpO  
系统详情 RE}$(T=  
 光源 0s8w)%4$  
- 强象散VIS激光二极管 6zJfsKf$  
 元件 <X1^w  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） #OVf2
"  
- 具有高斯振幅调制的光阑 #iAEcC0k5  
 探测器 %{ToWLb{I  
- 光线可视化（3D显示） 298@&_  
- 波前差探测 #Jqa_$\.  
- 场分布和相位计算 ESt@%7.F  
- 光束参数（M2值，发散角） O6$d@r;EK]  
 模拟/设计 &p#$}tm  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ]EZiPW-uy  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： p2:>m\  
 分析和优化整形光束质量 O5eTkKUc  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 V,qc[*_3  
(5(TbyWwD  
系统说明 1y($h<  
KWH l+pL  
D<d4"*qo  
模拟和设计结果 zwa%$U  
U
%nLo[k  
数值探测器结果 5x:dhkW  
;5 JzrbtL  
l4+Bs!i`  
-*T<^G;rK  
U4*Q;A#  
总结 >MeM  
$06[D91'  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 fyE#8h_>4  
1.模拟 z nxAP|  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 oX #WT  
2.评估 n$O[yRMI[  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 $+$S}i=  
3.优化 C>:'@o Z  
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。 7A mnxFC  
4.分析 J*} warf&  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 Ghb Jty`  
d^sm;
f  
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。 H]x-s  
OmR)W'  
详述案例 g VPtd[r  
GF=rGn@,)`  
系统参数 R]! [h  
(6Tvu
5*4U  
案例的内容和目标 _sGmkJi]  
+xc1cki_{  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 2`;&Uwt  
v?=y9lEH@%  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。
1\aJ[t
 
 之后，研究并优化整形光束的质量。 74p=uQ  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 4fyds< f  
^I CSs]}1  
模拟任务：反射光束整形设置 -E(0}\  
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。 #NZ#G~oeO  
}@XokRk  
~>"m`Q&[  
y k{8O.g  
CVy\']  
?;0w1  
规格：像散激光光束 O8Dav^\y?  
<Cbi5DtR  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 nR(v~_y[V  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 [Ep%9(SgA'  
4
5aUz@  
iX|K4.Pz{  
.;$Ub[
  
CVt:tV  
aVvma=  
规格：柱形抛物面反射镜 F!_8?=|  
                         rijavZS6  
 有抛物面曲率的圆柱镜 LN0pC}F  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面
@?vC4+'  
 曲率半径等于焦距的两倍 $~+(si2  
)p^" J|  
9Gc4mwu  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） X;&
Iu{&=  
wr-/R"fX  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 =f/CBYNw@V  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 2t[P-on  
 离轴角决定了截切区域 4Y5lP00!}  
|W#(+m  
规格：参数概述（12° x 46°光束） !y\r.fm!A  
kfV}ta'^S  
   {U'\2Ge<m  
Fc6o6GyL|o  
光束整形装置的光路图 ,6EhtNDu  
\'Q rJ ?D  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 i$5<>\g  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 xt&4]M V  
tiGBjTPt  
反射光束整形系统的3D视图 1.tAl6]  
)! eJW(  
abD@0zr  
YO'a
X  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 @xXVJWEU:  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 YSh@+AN  
![i)_XO  
详述案例 {sfA$ d0  
yT~rql  
模拟和结果 >t_h/:JZ)  
SF=TG84<  
结果：3D系统光线扫描分析 Kr5(fU  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 Rb!y(&>v  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 '^.`mT'P  
3;RQ\{eM  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd D3B]  
_a#k3r  
使用参数耦合来设置系统 7 x'2  
j
sFfrS"*  
自由参数： Kh$Q9$  
 反射镜1后y方向的光束半径 Kl,NL]]4*5  
 反射镜2后的光束半径 eaAGlEW6J  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） "<"m}rE?Q  
 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。 Nq%ir8hE  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 ;1HzY\d%<  
B<Q)z5KK  
oY4^CGk=  
Fw S>V2R  
Sv_Nb>  
9=mc3m:Tb(  
自由参数： N;`/>R4|I  
 反射镜1后y方向的光束半径 vc :%  
 反射镜2后的光束半径 ^Z-oO#)h#  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） :h(`eC  
 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。 5Xf]j=_  
RfO
JUz  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 6w=`0r3hy  
$g^D1zkuDT  
%vv`Vx2  
结果：使用GFT+进行光束整形 }v's>Ae~p  
&+n9T?+b  
ua)jGif  
jU $G<G  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 =?c""~7  
41x"Q?.bY  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 rlaeqG  
V2!0),]B  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 Wqkb1~]#Y  
p- a{6<h  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： 8IA1@0n&  
zXM,cV/s  
H %c6I  
p#CjkL  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 1~'jC8&J  
$&=xw _  
结果：评估光束参数 *f3StX  
(Vr%4Z8  
 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。 S3:
AitGJ  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 ^$50[  
gfs;?vP  
<n4`#d  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 jM&di  
 M2值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M2值是由光束偏离引起的） v
eH
e   
r=&,2meo  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd K8aqC{  
o//h|fU@  
光束质量优化 >v%js!`f  
*X(:vET  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 D3yTN"  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 mwo:+^v(  
PR Mg6  
结果：光束质量优化 G0{Z@CvO'  
qx'0(q2Ii(  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。 yo=L1;H  
P+0'
^:J  
+U2lwd!j  
Rh ^(91d  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） E`UkL*Q  
|L8 [+_m  
{2h*NFp  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd MzD1sWmK  
G;3%k.{  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 @^<odmM  
)"S%'myj  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 E=N$JM  
W!wof-1  
 这意味着参数变化是的正态 Qz,2PO  
st;i
Gg  
hhze5_$_  
   kU[hB1D5  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 
~=*o  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 7a1o#O  
rXi&8R[  
1EXT^2!D  
^Hv&{r77  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run  E.h  
UDh\%?j  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） =mO5~~"W+v  
byxlC?q7  
KClkPL!jP  
8YFG*HSa  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 5c` ;~  
Jh3  
总结 rO7_K>g?  
Gr\ ]6  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 
Z 2N6r6  
1.模拟 F qH))2  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ]SCHni_  
2.研究 In1W/?  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 WT'-.UX m  
3.优化 2g= 6s  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 6G2~'zqPc~  
4.分析 DK74s  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 lxyTh'  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 w7Yu} JY^  
8ttJ\m  
参考文献 M-nRhso  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). Voo'ZeZa  
H?=W]<!W{y  
进一步阅读 uO]D=Z\S(  
zR<{z  
进一步阅读 LP"g(D2'n  
 获得入门视频 F9 r5 Z  
- 介绍光路图 p(n0(}eVC'  
- 介绍参数运行 <=NnrZOF  
 关于案例的文档 klUV&O+=%  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens Zi~.  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 5-X$"Z|@  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing uOA/r@7I}S  
- 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