[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） s;9>YV2at  
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 [l7 G9T}/[  
@_L:W1[  
z5k9|.hgw  
简述案例 v[*&@aW0n  
5x}XiMM  
系统详情 kYl')L6  
 光源 dTwZ-%  
- 强象散VIS激光二极管 \GFFPCi4D  
 元件 97]$*&fH  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） ]5_6m;g  
- 具有高斯振幅调制的光阑 (3[Lz+W.u  
 探测器 \(.])I>)eh  
- 光线可视化（3D显示）  uK_R#^  
- 波前差探测 dm+}nQI\  
- 场分布和相位计算 \LI 2=J*  
- 光束参数（M2值，发散角） ifYC&5}SI  
 模拟/设计 =/6rX"\P  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 v6$ }saTX  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： P\3$Y-id  
 分析和优化整形光束质量 jb5nL`(j$  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 [/Figr]  
(oiF05n h  
系统说明 qtQB}r8  
M.(shIu!+  
Naqz":%.  
模拟和设计结果 yOQEF\  
r{Stsha(  
数值探测器结果 *@
C]\)  
-y+u0,=p.  
i,h)  
aV6l"A]  
[:MpOl-KIz  
总结 `"#0\Wh  
{;kH&Pp  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Y unY'xY  
1.模拟 !6 k{]v  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 {Yp;R  
2.评估 |}O9'fyU8  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 Hh<3k- *d  
3.优化 DKzP)!B "  
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。 R06zca  
4.分析 Kr*s]O  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 OGC|elSM  
R\+O.vX  
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。 _&~y{;)S  
`B4Px|3  
详述案例 G|"`kAa  
GkutS.2G#  
系统参数 o Y
Zmz  
*YhX6J1  
案例的内容和目标 :2\H>^uV  
T&5dF9a  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 @Qa)@'u  

YnCWmlC  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 B3Yj  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 g3i !>  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 -c1$>+  
3}}#'5D  
模拟任务：反射光束整形设置 -XSu;'4q  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 @$ea-fK??  
TN=
MZ{L  
}g?9/)z  
'x-PQQ  
2yFXX9!@  
xP1`FSO8=  
规格：像散激光光束 =}12S:Qhj  
6 s+ Z  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 +QqEUf<U*,  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 cX64 X  
A#"AqNVWv  
!u}}V  
fy|Ae  
Tn# >"Ag  
-9 AI@^q  
规格：柱形抛物面反射镜 KL4Z||n  
                         a*8^M\>m4  
 有抛物面曲率的圆柱镜 ?\7" A  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 sf|[oD  
 曲率半径等于焦距的两倍 "~f=
7  
F?LTWm
  
D [#1~M  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型）
=;1MpD  
XZaei\rUn)  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 V0]6F  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） wHQyMq^  
 离轴角决定了截切区域 P2nb&lVdu  
.<|7BHL  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 4g.y$  
>^@/Ba$h  
   Xegg2.Kk  
#_tixg  
光束整形装置的光路图 CbJ ]}Z  
h5bQ  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 3 *o l  
 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。 O;qerE?i`  
B_k[N}|zD  
反射光束整形系统的3D视图 :VPZGzK4  
o0>z6Ya<  
r lalr+Rf  
[Ng#/QXk{  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 _RFTm.9&  
 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）。 pZ/aZg1Ld  
e+z_Rj%Y;I  
详述案例 3wEVjT-  
5PPV`7Xm9  
模拟和结果 c}II
"P  
v
ZM.gn  
结果：3D系统光线扫描分析 "28b&pm  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ;a/Gs^W  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 a X>bC-  
'3f"#fF6  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd +2kJ
uoj:  
o;XzJ#P  
使用参数耦合来设置系统 `e t0i.  
Qwn/ ,  
自由参数： ZB'/DO=i  
 反射镜1后y方向的光束半径 R=IZFwr  
 反射镜2后的光束半径 ~+{OSx<S  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） .0:twj  
 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。 &46h!gW  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 D7b<&D@  
*5k" v"NM(  
x4cP%{n  
}fW@8ji\  
V:rq}F}  
yz}Agc4.I  
自由参数： zg!;g`Z@S  
 反射镜1后y方向的光束半径 6,sZo!G  
 反射镜2后的光束半径 wRL=9/5(8  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） O_#Ag K<A  
 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。 !HM|~G7  
2T &<jt  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 66x>*  
9x/HQ(1  
LlP_`fA  
结果：使用GFT+进行光束整形 ,[}5@cS  
d/G`w{H}y  
TC1#2nE&T  
[Y_6PR  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 |:SBkM,  
W$7db%qFx  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 OPR+K ?  
jk2h"):B>  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 . KJEA#  
5|!x0H;  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： UXVjRY`M.\  
M7&u_Cn?  
a;J{'PHu  
i$HaE)qZ  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd je1f\N45  
wkK61ah6  
结果：评估光束参数 [H5TtsQ[  
RwMK%^b  
 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。 PDaHY  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 f?T6Ne'  
LC/9)Sh_n  
,.tv#j|A  
 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。 z5PFppSQ  
 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） n*G[ZW*Uc  
[H-,zY  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd jy`jxOoG~Z  
TSXa#
SKp  
光束质量优化 e0%?;w-TL  
vh3Xd\N  
 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。 keNPlK%>  
 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）。 Qhb].V{utV  
/Fej)WQp  
结果：光束质量优化 O7|0t\)  
4Y5Q>2D}  
 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。 l$D]*_ jc,  
.8hB <G  
3+_? /}<  

6Clxe Lk  
 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。） Mi&,64<  
%m]9";  
WJBi#(SY  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ALS\}_8  
9\RSJGx6  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 Dk4Jg++  
_7
>$'V{  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 0Qvbc}KP8  
tL(B gku9  
 这意味着参数变化是的正态 Y<M,/Y_ !  
hW[/{2<@  
WbC|2!
 
   rH7|r\]r  
 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。 4jefU}e9#  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 bFk >IifN  
g#qt<d}j  
|>a sGP  
"M5P-l$p}  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run Ub=g<MYHV  
~;O|$xL  
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） :U!knb"/>  
_#xS
1sD  
v'0A$`w`  
xlG/$`Ab  
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。 l<qK' P4  

^Ts|/+}'i  
总结 22S4q`j  
%[0V>  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 nPh5(&E  
1.模拟 7?<.L  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 rtf\{u9 }g  
2.研究
n[ip'*2L  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 2='gC|&s6  
3.优化 .w3.zZ0[  
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。 d;O16xcM/  
4.分析 DJ;il)^  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 @~%R%Vu  
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。 ogQY"c8  
]TQ2PVN2  
参考文献 ]b
!o(5m  
[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). -L@4da[]i  
%Cbqi.iuQ  
进一步阅读 wJM})O%SQ  
|?{3&'`J8w  
进一步阅读 Q!8AFLff4  
 获得入门视频 o-\ K]  
- 介绍光路图 .&dW?HS  
- 介绍参数运行 k4jZu?\C]  
 关于案例的文档 '<_nL8A^  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ]vRte!QJ;  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens [:<CgU9C  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing =TKu2  
- 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