[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） JM0I(%Z%  
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 lfk9+)  
>5~7u\#9  
8OWmzY_=  
简述案例 EruP  
nbofYI$rd&  
系统详情 Vu0KtG9  
 光源 /I&wj^  
- 强象散VIS激光二极管 B%<e FFV\  
 元件 >L((2wfiN  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） @-.? B  
- 具有高斯振幅调制的光阑 mkvvNm3
 
 探测器 Ex@`O+  
- 光线可视化（3D显示） y_F}s9wj  
- 波前差探测 @^nu#R  
- 场分布和相位计算 @
%tXFizh  
- 光束参数（M2值，发散角） .R44$F  
 模拟/设计 A3P9.mur  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ~pP0|B*%  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： QHf$f@bjI  
 分析和优化整形光束质量 !7lj>BA>  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 DrS~lTf=>  
ty1fcdFZM  
系统说明 p|6v~  
!MZw#=D`  
O]u",J5  
模拟和设计结果 \Z5+$Ij  
Xer@A;c  
数值探测器结果 #Olg(:\  
^,s?e.u$8`  
.e[Tu|qo  
$B\E.ml.  
_pDjg%A>n  
总结 I{.HO<$7D}  
='Oj4T  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Q49BU@xX  
1.模拟 9$WJ"]  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 F+=urc>w  
2.评估 [$:,-Q@  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 &a~=
b,  
3.优化 UKB_Yy^Y  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 <,39_#H?F3  
4.分析 P@ypk^v  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ;i)KHj'  
NXoK@Y  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 XDmbm*~i  
u]vPy ria  
详述案例 mX_)b>iW  
xe:' 8J6L  
系统参数 wz#[:2  
s"mFt{Y  
案例的内容和目标 1t~({Pl<>  
tW6#e(^l6  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 qb7^VIo%c  
VyZV(k  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ?vbDB4  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 b :\D\X  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 }""p)Y&  
8]*Q79  
模拟任务：反射光束整形设置 Lt<oi8'N  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 c>MY$-PD  
)mD\d|7f  
G.jQX'%4QG  
(KF7zP  
LD.Ck
6@  
z-Hkz  
规格：像散激光光束 $[e%&h@JR  
ya>N
.h  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 JLW$+62  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 QWhp:]}  
2ij/N%
l  
BR3mAF  
0VG=?dq  
75Fp[Q-  
YRa4W.&Yn  
规格：柱形抛物面反射镜 Sr7@buF  
                         nZW4}~0j  
 有抛物面曲率的圆柱镜 &q>h*w4O  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 &wGg6$  
 曲率半径等于焦距的两倍 4!'1/3cY  
i+U51t<  
(4ZLpsbJ  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型）  sL~,  
m+$/DD^-zl  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 RK
3.-  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ;$6x=uZ  
 离轴角决定了截切区域 1
Zq  
7-g^2sa'(  
规格：参数概述（12° x 46°光束） f(.6|mPp  
*^6k[3VY  
   rgT%XhUS6f  
XPVV+.  
光束整形装置的光路图 2VMX:&3 5J  
Zjt9vS)  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 {jUvKB_x  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 G4);/#  
FLEg0/m0  
反射光束整形系统的3D视图 +DxifXtB  
af^@ .$ |  
9<~,n1b>x  
*|CLO|B)  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 * T\>  
 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）。 kFnUJM$r  
c}8 -/P=  
详述案例 iUpSN0XkMM  
+}\29@{
W  
模拟和结果 FcY$k%;'Q  
i!y\WaCp  
结果：3D系统光线扫描分析 B ;;cbY  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 @u<0_r t  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 (OQi%/Oy  
QZ:v  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd UT% #K%  
yh4jRe?f  
使用参数耦合来设置系统 $<14JEU  
(c 1u{  
自由参数： (kdC1,E  
 反射镜1后y方向的光束半径 u`nt\OF  
 反射镜2后的光束半径 K"G(?<>~4c  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 3l.Nz@a*  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 !HbqbS22  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 #fJwC7 4  
=CGD ~p`  
\}n !yYh(  
pEJ#ad  
7d%
A1}Bq$  
PlF89-  
自由参数： 8x`Kl(  
 反射镜1后y方向的光束半径 ]kzv8#  
 反射镜2后的光束半径 54;l*}8Hl  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） <[esA9.]t  
 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。 .$n$%|"H-  
sf<Q#ieTxY  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 MP_A<F  
|qQ{8T%)  
?hP<@L6K  
结果：使用GFT+进行光束整形 nmTm(?yE  
G%y>:$rw[O  
PjiNu.>2(  
>2FAi.,  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 4o)(d=q  
.ou!g&xu  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 $:T<IU[E  
"m wl-=  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 Q@ykQ  
|Gf1^8:C9  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： &?}kL= h  
3(cU)  
bEoB;]  
{d&X/tT  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ocb%&m;i  
A73V6"  
结果：评估光束参数 /8 e2dw: \  
6~:W(E}  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 =$&7IQ?  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 Dlqn~  
*#ob5TBq[  
61ON  
 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。 pCB 5wB  
 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） H9oXZSm  
Z%,\+tRe  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd i}v}K'`  
u|]mcZ,ZW  
光束质量优化 (M+,wW[6  
1(#*'xR  
 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。 krEH`f  
 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）。 GoGohsj  
+0oyt?  
结果：光束质量优化 yv6Zo0s<J  
tdMP,0u  
 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。 Tx|SAa=V  
]%cHm4#m3  
CF4Oh-f  
tEpIyC  
 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。） k;"R y8[k  
:,xyVb+  
WI*^+E&=*  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 1B9
Fb.i  
;PP_3`  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 KZp,=[t  
CrRQPgl+u  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 m<X#W W)N  
GY0XWUlC  
 这意味着参数变化是的正态 ShEaL&'J  
m2-fi*Mgg  
XudH
 
   ZTgAZ5_cz  
 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。 `g4Ekp'Rp[  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 1`2);b{@  
*<|~=*Ddf  
'0])7jq  
q>D4m
a^  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ,N))=/  
<ZHY3  
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） Q*mMF@-:  
xy-$v   
{LMS~nx  
=hOj8;2  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 X1 0"G~0  
k vue@  
总结 3H\b N4  
v ,G-k2$Qe  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Q)%8
NVs  
1.模拟
;S{Ld1;  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 K8yyxJ  
2.研究 ||
*&g2Y  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 j"D0nG,  
3.优化 fRv 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。 H(5ui`'s  
4.分析 n8;G,[GM80  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 )=,9`+Zta  
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。 4? /ot;>2  
3 4A&LBwC  
参考文献 mNBpb}  
[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). r=P$iG'&  
V5hlG =V  
进一步阅读 RB$ 8^#  
tx|"v|&e2  
进一步阅读 k?|zIu  
 获得入门视频 x=)30y3*;  
- 介绍光路图 a dz;N;rIY  
- 介绍参数运行 n/-p;#R  
 关于案例的文档 4?*"7t3  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens -f|+
 
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ./BP+\)lO  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 8G[Y9A(bmP  
- 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