[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） Yp 6;Y7^  
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 =/6.4;8  
y;0.P?Il"  
"x9xJ  
简述案例 ="@W)"r  
=d~]*[8  
系统详情 @EfCNOy  
 光源 P.qD,$-  
- 强象散VIS激光二极管 M=yZ5~3  
 元件 ?#}=!$p  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） kSU5  }  
- 具有高斯振幅调制的光阑 `"AjbCL  
 探测器 |GK [I  
- 光线可视化（3D显示） ;zs*Zd7h M  
- 波前差探测 P(
X#w
 
- 场分布和相位计算 \^Y#"zXo1  
- 光束参数（M2值，发散角） x)"=*Jj  
 模拟/设计 k%hD<_:p  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 8o-?Y.2  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： JsnavI6  
 分析和优化整形光束质量 Da-F(^E  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 hp-<8Mf  
G]P4[#5  
系统说明 FAM`+QtNw  
U%oI*  
e"r}I!.  
模拟和设计结果 H7Y}qP5X  
4bAgbx-^  
数值探测器结果 T:)>Tcv}:  
Td;e\s/]  
rFx2S  
V2g$"W?3  
Vaha--QB  
总结 ~;+i[Z&e  
`W]a @\EYA  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 .&sguAyG  
1.模拟 "b1_vA]03  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 N"r ;d+LTL  
2.评估 Y\+^\`Tqu  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 z7<^aS  
3.优化 .z[+sy_  
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。 YvYavd  
4.分析 WZm^:,  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 rA1 gH6D  
4aV3x&6X  
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。 <U~P-c tN  
d\)v62P  
详述案例 'h81\SKFK9  
Lvp/} /H/  
系统参数 r#Pd
@SV  
Ce:R p?  
案例的内容和目标 Gi<f/xQk>  
?5(L.XFm  
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&~vVx  
Xrz0ch  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 &McmA  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 kkJg/:g  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 _p_F v>>:  
}K*ri  
模拟任务：反射光束整形设置 VqbiZOZ@  
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。 Etl7V  
+?.,pqn<=  

PN'8"8`{  
}2\"(_  
#-@{rgH  
-"cN9RF  
规格：像散激光光束 [=9R5.)c  
$<aBawLZO  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 CD[7h  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ^#=L?e  
7q\c\qL  
+]>a`~  
$(NfHIX  
~'U;).C  
b~Ruhi[E  
规格：柱形抛物面反射镜 5sE^MS1  
                         !e7vc[N  
 有抛物面曲率的圆柱镜 y&CU
T:M6  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 MO D4O4z&  
 曲率半径等于焦距的两倍 I#Bz UF  
cr/|dc'  
A]J^{h0k  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 2Z97Tq  
tS9m8(Hr%Q  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 $`oA$E3  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） srS
TQ\l4  
 离轴角决定了截切区域 1]<!Xuk^f  
B.WJ6.DkS  
规格：参数概述（12° x 46°光束） "/"qg  
oF>GWstTR  
   J~}UG]j n  
=aekY;/  
光束整形装置的光路图 #<~f~{x  
XMdc n,  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 OMZT\$9yT  
 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。 j~8+,:  
L,ra=SVF  
反射光束整形系统的3D视图 };j&)M  
Z\L@5.*ydE  
Z-<u?f8{*  
jgstx3  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 k|_2aQ02  
 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）。 Om^/tp\  
n>4S P_[E7  
详述案例 |]q=D1/A  
O<3,n;56Z  
模拟和结果 d"78:+  
HDEG/k/~m  
结果：3D系统光线扫描分析 9,W-KM  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 K$.zO4  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ./ :86@O  
:qbG%_PJ  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd yRYWx` G  
4yA`);r62  
使用参数耦合来设置系统 f+920/>!Z  
-b$OHFL  
自由参数： caP  
 反射镜1后y方向的光束半径 m@@Q
T<  
 反射镜2后的光束半径 d.AjH9 jg  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） (*ng$zZ$  
 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。 OGFKc#  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 @NIypi$T  
 SoX V  
]cr;PRyv  
(HI%C@e9  
9qDGxW '1  
K5>:WiY  
自由参数： `$H  
 反射镜1后y方向的光束半径 s]c$]&IGG  
 反射镜2后的光束半径 KV_Ga8hs  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） vR$5ItnT  
 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。 t {"iIz_S  
?nW#qy!R  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 b..$5  
"o3"1s>d{  
@>5<m'}2  
结果：使用GFT+进行光束整形 ~-`02  
d*$<%J  
%B*dj9n^q  
QNXxpoS#  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 3(+#^aw  
\NU[DHrMP  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 l*Ei7 |Z  
^kvH/Y&  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 5$U>M
 
%,et$1`g  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： ap^=CEf   
od1omYsR  
sRQh~5kM  
>UY_:cW4%m  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd t3$gwO$  
AJfi,rFPg  
结果：评估光束参数 NCnId}
BT  
=jc8=h[F<  
 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。 Lc<xgN+cJ  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 ACO4u<M)  
a~F@3Pd  
6;frIl;  
 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。 6 v^  
 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） <C%-IZv$  
jHlOP,kc  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd G*i#\   
j9ta0~x1*6  
光束质量优化 F9P0cGDs  
nFnF_  
 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。 1L8ULxi_?]  
 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）。 d[e:}1  
no
NF;zT  
结果：光束质量优化 jne9=Als5  
]H#Rm#q  
 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。 C2rj
]t  
KM}4^Qc  
`.(S#!gw  
H!r Kz  
 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。） '$h@  
8@yc}~8 *  
ClMtl59  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd /~l/_Jct@G  
(GEi<\16[  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 0tCOb9  
Ge:-|*F  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 ;%7XU~<a  
K=Z]#bm  
 这意味着参数变化是的正态 "Dl9<EZ  
>9<8G]vcH  
PR@4' r|a  
   x)VIA]  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 (Ef2 w['  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 w$lfR,  
)xvx6?Ah|  
.aismc`=  
8jjk?PUD8  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 40Qzo%eL  
hG~]~ )  
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） O<dZA=Oez  
))IgB).3M  
=F
%wlzF:  
g)9JO6]  
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。 X}j'L&{F@  
}.M
oDR3\  
总结 adO!Gs9f?  
9IvcKzS2  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 1R2o6`_  
1.模拟 qBBYckS.  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 W?^8/1U  
2.研究 ]~\SR0  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 -?aw^du  
3.优化 ci,o8 [Y  
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。 ^%oG8z,L  
4.分析 W7*_T]  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 | 3N.5{  
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。 A&|Wvb=  
hnsa)@  
参考文献 s-GleX<  
[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). hmBnV  
tB,.  
进一步阅读 !$p2z_n$@.  
7~kpRa@\P  
进一步阅读 })zB".  
 获得入门视频 _b!;(~@p  
- 介绍光路图 h/1nm U]  
- 介绍参数运行 m]0^  
 关于案例的文档 Siz!/O!'  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens foFg((tS  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens O^X[9vrW  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing V#gF*]q  
- 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