[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） RAG3o-  
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 "Qja1TQ  
wvbPnf^y  
*d"DA[(  
简述案例 =|I>G?g-  
yto,>Utzg  
系统详情 Z00+!Tnd  
 光源 hO';{Nl/$  
- 强象散VIS激光二极管 ``OD.aY^s  
 元件 T}"6wywM  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） l2l(_$@3  
- 具有高斯振幅调制的光阑 91$]Qg,lB  
 探测器
(cN}Epi(D  
- 光线可视化（3D显示） #m[|2R  
- 波前差探测 0#ClWynjRO  
- 场分布和相位计算 <o+<H  
- 光束参数（M2值，发散角） QF&W`c  
 模拟/设计 zxf"87
se  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 mZx&Xez_G  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： zOGU8Wg  
 分析和优化整形光束质量 BRk0CLr5  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 |i ZfYi&^  
PJ2qfYsH=>  
系统说明 v@wb"jdFi$  
L5qwWvbT  
^D<r  
模拟和设计结果 Op>%?W8/UF  
om]4
BRe  
数值探测器结果 CYKr\DA  
bzvh%RsW  
;q:jl~  
8,atX+tc  
;>AL`M+  
总结 *FmTy|  
I8QjKI (  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 {U84 _Pi  
1.模拟 MNg^]tpf  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 tqy@iEz+  
2.评估 zLF?P3^  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 0d3+0EN{  
3.优化 AQc,>{Lm  
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。 CEC nq3  
4.分析 e#B#B  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 @o-B{EH8  
Z(ZiFPx2Z  
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。 l9Q(xuhv  
de]zT^&C  
详述案例 [y0O{,lI  
IJJ%$%F/  
系统参数 *#TYqCc+g  
.)+hH y  
案例的内容和目标 1pCieTz!PN  
C_ \q?>  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 k@ K
7yK  
Y $u9%0q|?  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 yi^b)2G  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 vfNAs>Xg"  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 QaGlR`Y  
fA=#Fzk2  
模拟任务：反射光束整形设置 cD4 kC>P*  
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。 g}f9dB,F  
}P3tn  
ZvGgmLN  
)>7%pz  
>23-  
x"4} isp<  
规格：像散激光光束 .d?%;2*{q  
L'i-fM[#  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 CU:o*;jP  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 $ \*` }Y  
_28<m JfG  
NA$zd(  
XI Jlc~2  
65,(4Udz!  
'<
iK*[NW  
规格：柱形抛物面反射镜 /?/#B `  
                         U"f??y%)  
 有抛物面曲率的圆柱镜 T88Y qI  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ?@6/Alk  
 曲率半径等于焦距的两倍 `A/j1UWJ  
.7ayQp  
(IbW;bV  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） %m{U& -(l@  
l]2
r)!Q7  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 MVCl.o  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） IB9%QW"0  
 离轴角决定了截切区域 4\ /*jA  
02JL*  
规格：参数概述（12° x 46°光束） ! o,5h|\  
Lb=W;9;  
   Ix
DWJ#k  
R@T6U:1  
光束整形装置的光路图 P}3}ek1Ax  
Q}2[hB  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 K%KZO`gO  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 7_KhV  
u>T76,8|\  
反射光束整形系统的3D视图 j;P+_Hfe/E  
`kBnSio~  
v$|mo;6  
P]<= ! F  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ('o&Q_  
 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）。 0^!Gib  
yDd[e]zS`  
详述案例 sroGER.  
Aa(<L$e!`  
模拟和结果 +/'<z  
ij)Cm]4(2  
结果：3D系统光线扫描分析 I ,FqN}  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 $@[)nvV\  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ,r+"7$  
] VG?+  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd X
.J
 
 Q9y*:  
使用参数耦合来设置系统 B%b_/F]e  
71iRG*O  
自由参数： z%2w(&1  
 反射镜1后y方向的光束半径 N~#D\X^t.  
 反射镜2后的光束半径 C6k4g75U2  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） GgdlVi 2  
 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。 X ]s"5ju|t  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 G,DOBA  
@l,{x|00  
6F5,3&  
^CQ1I0  
6&],WGz  
eY3=|RR  
自由参数： =J.EH|  
 反射镜1后y方向的光束半径 F$ {4X /9n  
 反射镜2后的光束半径 8kbBz  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） N !IzB]  
 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。  ^@q#$/z  
q!2<=:f  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 qhxC 5f4Z  
?Q:PPqQ  
PN9^[X  
结果：使用GFT+进行光束整形 V85.DK!  
r /yHmEk&  
?d,M.o{0]  
k!c7a\">{  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 !&0a<~Wi  
UC#"=Xd4  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 a^/K?lAB8  
LO}z)j~W  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 yI4DVu.  
KT%{G8Y@M  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： yjR)Z9t  
g`.{K"N>!  
+yIL[D  
.hgH9$\  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
ytob/tc  
XP4jZCt9  
结果：评估光束参数 %U:C|  
A{t"M-<  
 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。 +|M{I= 8  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 P_mi)@  
"bi !=  
T&!ZD2I  
 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。 5C*?1& !  
 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） h\2}875  
M!-q}5';  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd !b'IfDp[-!  
6g8M7<og9R  
光束质量优化 R^|!^[WE  
#*\
Ry/9Q  
 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。 d~3GV(M  
 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）。 GIK u  
(%Ng'~J\|  
结果：光束质量优化 gfxoJihE  
0}6QO  
 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。 (e0_RQ  
\I:UC %  
FzA{UO  
"Jf4N  
 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。） ]}_p3W "Y9  
B*32D8t`u
 
i_|h{JK)  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 8TUF w@H%  
fmtuFr^a1  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 $#F;xys  
O.]_Ry\OXA  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 ?`za-+<r<  
D`1I;Tb#  
 这意味着参数变化是的正态 58qaA\iw  
1hF2eNh  
11PLH0  
   D WsCYo  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 ": mCZUt  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 9NJ=~Ub-  
B.{8/.4  
~vO'p  
n%7A;l!{  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 40`9t Xn  
&f (sfM_n  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） :_W0Af09  
,ivWVsN*]  
-U/I'RDLEz  
1^n5CI|7u  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 : OSmr  
'XC&BW
J  
总结 yHa:?u6  
`?Y_0Nh>  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 #n6FQ$l8m  
1.模拟 Z&?+&q r^  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 eSQzjR*  
2.研究 >"PqQO  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 b |o`Q7Hj  
3.优化 mjkw&2  
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。 mmpr]cT@'k  
4.分析 YUP%K!k  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 l,^i5t'  
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。 \E ? iw.}  
.f?qUg  
参考文献 5<:VJC<  
[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). W>t&N  
/: \VwH  
进一步阅读 c"QkE*  
jx5
[bUp4u  
进一步阅读 r=iMo7q  
 获得入门视频 d-#u/{jG)  
- 介绍光路图 Jfixm=.6  
- 介绍参数运行 %FR^[H]  
 关于案例的文档 6|"!sW`%N  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens yjM@/b  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 6iV"Tl{z-  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing F`ZIc7(.{  
- 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