[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） e*'bY;8lo  
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 x3Cn:F  
VJ-t#q"  
x=rMjz-`_  
简述案例 `Zuo`GP*1  
m>Wt'Cc  
系统详情 qWK}  
 光源 ]uhG&: }  
- 强象散VIS激光二极管 =55)|$hgD  
 元件 Uot(3p!S6  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） R5b,/>^'A  
- 具有高斯振幅调制的光阑 gAvNm[=wD2  
 探测器 H8"RdKwg?  
- 光线可视化（3D显示） G?F!Z"S  
- 波前差探测 #vK99S2  
- 场分布和相位计算 R{brf6,  
- 光束参数（M2值，发散角） y+BiaD!U  
 模拟/设计 " AvEo  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ~Fvz&dO  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： `vt+VUNf  
 分析和优化整形光束质量 $Rze[3  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 %
}b  
-d!84_d9  
系统说明 lz0dt<8eP  
W{JR%Sq$  
-GL.8"c[  
模拟和设计结果 71(ppsHk  
2|!js
t  
数值探测器结果 *@lVesC2  
(Z@-e^R  
4UL"f<7 T  
ve/.q^JeJ  
]\ZJaU80I~  
总结 g>ke;SH%KY  
J|V*g]#kP  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 IwXQbJ3v_  
1.模拟  CU\r I  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 =`}|hI   
2.评估 jbOwpyH  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 N}z]OvnZH  
3.优化 %> YRNW@%  
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。 2MXg)GBcU>  
4.分析 0^P9)<k'  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 &z\?A2Mw%  
gvjy'Rm  
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。 *Q-uE  
z2.OR,R}]  
详述案例 v>hc\H1P  
o9D#d\G  
系统参数 l Hu8ADva  
B&3@b  
案例的内容和目标 .Pe^u%J6F  
0
}_1ZU  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 Kv5 !cll5  
FGMYpapc~  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 O St~P^1  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 Hg]iZ,8?  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 noWwX  
0oyZlv*  
模拟任务：反射光束整形设置 jA3Ir;a  
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。 >Co@K^'  
8 =3#S'n  
>va9*pdJ  
:n}t7+(>U  
L
~M6ca"  
#=fd8}9  
规格：像散激光光束 y9GaxW*&  
/ vzwokH  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 Zg;Ht  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 7:)$oH  
F>q%~  
wGpw+O  
H?pWyc<,  
J{#C<C  
BjUz"69  
规格：柱形抛物面反射镜 g5~1uU$O  
                         TSd;L u%hr  
 有抛物面曲率的圆柱镜 t7$2/C  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 L_YY,  
 曲率半径等于焦距的两倍 aQfrDM<*XS  
~u80v h'  
HuL9' M
 
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） /I' np  
dLu3C-.(  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 \tg}K0E?R5  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ]?2&d[  
 离轴角决定了截切区域 Gm
LKg >%  
d
,).O  
规格：参数概述（12° x 46°光束） }~o>H a;  
x42m+5/  
   N|WR^MQD  
,W
<mz7Z(@  
光束整形装置的光路图 @GR|co  
YR/rN,  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 8h7z  
 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。 8|p*T&Cn&  
4#@zn 2l  
反射光束整形系统的3D视图 {-Y% wM8<i  
ijWn,bj  
lo!_;`v=U  
6tmn1:  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 i(XqoR-x  
 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）。 KGb3n;]  
R`|GBVbv  
详述案例 i50^%,  
H<YS2Ed  
模拟和结果 My!<_Hp-W  
9y"*H2$#  
结果：3D系统光线扫描分析 "S@%d(lg  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 e|ngnkf(G  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 kC)ye"r  
:X;'37o#q  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd J$D#)w!$j  
LHz-/0[  
使用参数耦合来设置系统 GoNX\^A  
QGnBNsAh  
自由参数： !'^gqaF+  
 反射镜1后y方向的光束半径 }-R|f_2Hp  
 反射镜2后的光束半径 H-o>|C  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Yl#r9TM  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 vHPp$lql  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 H:BWv08~5  
}l>0
m  
a:tCdnK/  
|};P"&  
Fh4kd>1D  
s`G3SE  
自由参数： |Tp>,\:5  
 反射镜1后y方向的光束半径 G-]ndrTn  
 反射镜2后的光束半径 .* xaI+:  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） EnGVp<6R  
 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。 @m[r0i0J"  
s1xl*lKX%  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 c} GH|i  
WBgS9qiB  
Z!P7mH\c}  
结果：使用GFT+进行光束整形 2R2ws.}  
emo@&6*  
+KV`+zic+  
{f\/2k3  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ?[}r& f  
<T[wZ[l  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 $]eITyC`P  
25RFi24>D  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 B`xrdtW  
^-9g_5  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： ruG5~dm>  
\s8j*  
|?=K'[5  
.|Pq!uLvc  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd GRK+/1C  
h|tdK;)  
结果：评估光束参数 zU;%s<(p  
)DS|mM)  
 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/5oRHA  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 /G`'9cD  
"#d>3M_  
;N4A9/)  
 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。 60B6~@]P  
 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） :d v{'O  
nCZ&FNi{O~  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd A{Jp>15AVg  
owDp?Sy}E  
光束质量优化 ~ [k0ay  
'%.
:97  
 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。 );o2eV  
 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）。 LD]a!e
Y  
ToWiXH)4
 
结果：光束质量优化 7JvBzD42  
a\60QlAk~  
 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。 b*w@kLLN  
1 PL2[_2:  
nKI]f`P7  
[&e|:1  
 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。） _?"P<3/iF  
1 !N+hf  
3mI(5~4A]?  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd OIpkXM
 
f;AQw_{  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 Ah5`
Cnv  
x3j)'`=15  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 TPjElBh  
cZB?_[Cp  
 这意味着参数变化是的正态 !6Sr*a*5  
 n7g}u  
I$.HG]  
   dwd5P7  
 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。 P%VEJ5,]b  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 q~esxp  
.dA_}  
F|+Qi BO  
zSy^vM;6zf  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 0,b.;r  
US5]@!  
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） 05o)Q &`  

YfRjr  
=<yMB d\  
-;NGS )RM  
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。 /V-uo(n< .  
=geopktpf  
总结 c`S`.WID  

o#GZ|9IL  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 6T"4<w[  
1.模拟 }W2FF
  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 LxdF;JCz:  
2.研究 W|X=R?*ZK  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 S2y_5XJ<D  
3.优化 $('"0 @fg  
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。 <}uhKp>*  
4.分析 R[#Np`z  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 !wbO:py[8>  
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。 2VpKG*!\  
eILdq*  
参考文献 )RUx  
[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). JM&`&fsOC{  
<M)
{rce  
进一步阅读 d-X6yRjnj  
2:5Go  
进一步阅读 ?04jkq&  
 获得入门视频 >W?i+,g  
- 介绍光路图 + d?p? v  
- 介绍参数运行 u-s*3Lg&  
 关于案例的文档 /penB[1i  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens '6g;UOx^=  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens $jkzm8{W  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing #%9t-  
- 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