[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） &CCB;Oi%  
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 c{V0]A9VF  
H.v`JNs(  
4YXtl+G  
简述案例 f|w+}z
 
n|yl3v  
系统详情 t`Mm  
 光源 NnGQ=$e  
- 强象散VIS激光二极管 %pt ul_(s'  
 元件 4/~
8zvz&3  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 2fFNJ  
- 具有高斯振幅调制的光阑 M5: f^  
 探测器 W6E9  
- 光线可视化（3D显示） 0r_8/|N#  
- 波前差探测 7.hVbjy'-  
- 场分布和相位计算 lk2F]@_kJH  
- 光束参数（M2值，发散角） MDGcK/$')f  
 模拟/设计 &s\$&%|  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 aluXh?  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： <@A/`3_O)  
 分析和优化整形光束质量 G0^23j  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 |hiYV  
`0=0IPVd  
系统说明 hG2btmBh
t  
I&q:w\\z8|  
jf$6{zO6j  
模拟和设计结果 5R{ {FD`h  
[WRs1$5  
数值探测器结果 .gG<08Z  
d[kb]lC  
N+"Y@X yg  
l:z:tJ#(  
NQ'^z  
总结 E@JxY  
(X)$8y  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ,B5
Ptf#  
1.模拟 O->i>d  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 6IctW5b  
2.评估 h<Yn0(.  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 \Y Cj/tG8  
3.优化 F$ZWQ9&5U0  
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。 "SNsOf  
4.分析 PC.$&x4w1  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 U^+9l?ol  
-,TBUWg  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 X']>b  
Mpk^e_9`<  
详述案例 SV<*qz  
l0U6eOx  
系统参数 5y(irbk7  
Q= + Frsk  
案例的内容和目标 1_fFbb"  
bv\V>s  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 tmRD$O%:  
o*qEAy?  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。
<^~Xnstl  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 @E,{p"{  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 w_KGn17  
a_
waLH/  
模拟任务：反射光束整形设置 Eh!%NeO  
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。 _xl#1>G^J  
SjtGU47$!  
T55l-.>  
l YH={jJ  
9`4h"9dO  
c5;YKON  
规格：像散激光光束 J}._v\Q7P  
:`:<JA3,  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 /v5Pk.!
o  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 qt^%jIv  
a}i{b2B  
&I'~:nWpt  
'x+0 yd  
u\t[rC=yd  
^nbze  
规格：柱形抛物面反射镜 >B8)Wb:  
                         {)4Vv`n  
 有抛物面曲率的圆柱镜
k{c~  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ~q4DePVE  
 曲率半径等于焦距的两倍 px//q4U  
z6Su`  
"*+epC|ks  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） %bDd  
Xuh_bW&zF  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 j"94hWb  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） *XniF~M  
 离轴角决定了截切区域 m9#u.Q*  
Qi=rhN`  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 7w>"M  
D1
o 8Wo  
   )@R:$l86  
?#04x70  
光束整形装置的光路图 w2+RX-6Ie  
( fdDFb#1  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 R)<Fqa7Tm  
 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。 YQQ!1hw  
I=(O,*+PQ  
反射光束整形系统的3D视图 WCR+ZXI?1  
*k+QX
  
X@~sIUXx9  
_xUhDu%  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。
g-+p(Ll|  
 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）。 Z
NCq/  
,P auP~L  
详述案例 Xo%Anqk  

-F8%U:2a  
模拟和结果 >W-e0kkH  
rBr28_i   
结果：3D系统光线扫描分析 1"v;w!uh  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 +s[(CI.b  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 5)T{iPU%X  
[]dRDe;#  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd +S/8{2%?DG  
cst=m
s  
使用参数耦合来设置系统 L"}@>&6  
b]|7{yMV  
自由参数： TS UN(_XGW  
 反射镜1后y方向的光束半径 *Gu=O|Mm  
 反射镜2后的光束半径 ?|s[/zPS=  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） <m@U`RFm  
 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。 .S?,%4v%%  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 8V}c(2m  
=A!I-@]q<  
N#[/h96F  
"UAW  
ImF/RKI~ "  
}:jXl!:V  
自由参数： rzl2Oj"4  
 反射镜1后y方向的光束半径 *-P@|eg  
 反射镜2后的光束半径 b
%)a5H(  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） M2oKLRt)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。 Pc4sReo'  
GbL,k?ey  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 7gJy xQ  
GGLVv)  
mS%D" e  
结果：使用GFT+进行光束整形 UyF]gO  
4p1{Ad
y  
IF1?/D"<  
#vDe/o+=  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 wwpvmb  
kXOlZC  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 |2
0p#]0E+  
90ORx\Oeo  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 
99ZQlX  
UhEnW8^bz1  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： lq%s/l  
Gm6^BYCk  
QTLOP~^  
_Y~+ #Vc  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd t;4{l`dk  
3ea6g5kX  
结果：评估光束参数 |5FyfDaFBX  
&j>`H:  
 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。 0#yo\McZ  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 k*n5+[U^tP  
z{%G  
Y)!5Z.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。 `GSfA0?  
 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） 5q8bM.k\7N  
(>Tu~Vo  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd F5*Xx g}N  
7%?A0%>6G  
光束质量优化 7Y$p3]0e+  
Y]Xal   
 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。 A46y?"]/30  
 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）。 U9;AU]A  
M VsIyP  
结果：光束质量优化 IRcZyry  
fo5!d@Nv  
 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。 +:^tppg  
!J+5l&
  
J[<:-$E  
9cj:'KG)!  
 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。） XLzHm&;  
2>UyA.m0  
fwOvlD&e  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 8WaVs6  
@=@WRPGM*9  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 Ao=.=0os  
rt."P20T  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 $_<,bC1[  
JA1(yt  
 这意味着参数变化是的正态 ya|7hz{  
ymzlRs1^Ct  
y&SueU=  
   CRS/qso[Q'  
 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。 mF#{"  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 [S*bN!t  
PCD1I98  
~I!7]i]"*?  
 4INO .  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run  @4H*kA  
P~=|R9t  
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） NPKRX Li
%  
+e4o~p  
]3C7guWz  
)Ibp%'H  
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。 \/'u(|G  
H{9di\xnEm  
总结 J6|5*|*^  
&|55:Y87  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Rsqb<+7  
1.模拟 }cMb0`oA  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 _kgw+NA&-H  
2.研究 XG*Luc-v  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 8g&uCv/Uk  
3.优化 .3!=]=  
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。 @e+QGd;}  
4.分析 p]IF=~b  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 vBKBMnSd  
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。 mmEr2\L  
vMDV%E S1t  
参考文献 vJ }^p}  
[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). kW5g]Q  
>STWt>s  
进一步阅读 G'Jsk4:c  
{_l@ws  
进一步阅读 X>=`{JS1  
 获得入门视频 #(T  
- 介绍光路图 1Y\g{A"  
- 介绍参数运行 /J8y[aa  
 关于案例的文档 z4{H=  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens WFULQQ*  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens Mb uD8B  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing Z6A*9m  
- 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