[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） yfSmDPh  
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 ]lbuy7xj63  
2iOV/=+  
|=w@H]r  
简述案例 uT{q9=w  
H)?z #x  
系统详情 Wri<h:1  
 光源 'V
{W-W<  
- 强象散VIS激光二极管 A<{{iBEI`  
 元件 pb}*\/s  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） DF= *_,2/  
- 具有高斯振幅调制的光阑 Za9qjBH   
 探测器 uYN`:b8  
- 光线可视化（3D显示） *T/']t  
- 波前差探测 `Oa WGZ[  
- 场分布和相位计算 $]d^-{|  
- 光束参数（M2值，发散角） khe}*y  
 模拟/设计 &pRREu:[4L  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 gJXaPJA{  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： UfGkTwoo=  
 分析和优化整形光束质量 0;k# *#w  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ? k/`  
<YY14p  
系统说明 u_enqC3  
w>gYx(8b  
N)T}P\l  
模拟和设计结果 p2eGm-Erq  
X8|,   
数值探测器结果 G
[=c Ss,  
Dtk=[;"k2a  
dH!*!r>  
Y7|EIAU5Y  
1#x0q:6  
总结 ]G\}k  
\h
XDO_U  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 lN@o2QX  
1.模拟 Psf#c:*_)  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 @dKTx#gZ  
2.评估 >7|VR:U?B  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 eFgA 8kY)  
3.优化 3BI1fXT4=j  
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。 G\i
9:7 `  
4.分析 Tk
}]Gev  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 A^g(k5M*  
8LKiS  
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。 F8=+j_UGI  
LVGe]lD  
详述案例 2G7Wi!J  
.A
|udZ,  
系统参数 1M6D3d_  
<I?Zk80  
案例的内容和目标 ]Ze1s02(  
o&%g8=n%  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 $FVNCFN%  
q~3>R=t  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 T)/eeZ$  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 C+$#y2"z#n  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 vXs"Dst  
1}x%%RD_  
模拟任务：反射光束整形设置 N8jIMb'<  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 (QEG4&9  
[y(MCf19  
[n@] r2g)3  
J1k>07}
|  
q V=!ORuj  
04ui`-c(  
规格：像散激光光束 9[4xFE?|  
y[;>#j$  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 Q,g\  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 c 9Mz]1@f  
A.SvA Yn  
?<!|  
y29m/i:  
Q &
8-\  
w)f#V s  
规格：柱形抛物面反射镜 BmT!aue  
                         sJZiI}Xc  
 有抛物面曲率的圆柱镜 6nn*]|7  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 K(4_a``05  
 曲率半径等于焦距的两倍 sHj/;  
%9"H  
VY-EmbkG-t  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 81F9uM0  
=;L|gtH"  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Z,gk|M3.  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ]Wup/o  
 离轴角决定了截切区域 }f ?y* H  
F59 TZI  
规格：参数概述（12° x 46°光束） ! nx{ X  
w0. u\  
   tQVVhXQ7  
Pz7XAcPQ(  
光束整形装置的光路图 %d@z39-;  
*~`(RV  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 tbr=aY$jY  
 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。 PT ~D",k  
 7GGUV  
反射光束整形系统的3D视图 4+n\k  
42{~Lhxt  
btB%[]  
/r 5eWR1G  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 BtZyn7a  
 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）。 }V>T
M{  
)b)zm2;  
详述案例 c-w)|-ac.  
#yen8SskB  
模拟和结果 !D6]J
PX  
DG/Pb)%Y  
结果：3D系统光线扫描分析 $G>.\t  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 4i bc  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 K3C<{#r  
]9-\~Mwh  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd !>tL6+yj  
ICCc./l|  
使用参数耦合来设置系统 ~&O%N  
rqq1TRg  
自由参数： CTK;dM'uQ  
 反射镜1后y方向的光束半径 k)u[0}  
 反射镜2后的光束半径 L];b<*d  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ESs\O?nO  
 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。 5;?yCWc  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 y(Td/rY.  
^Cmyx
3O^  
E7hhew  
$'TM0Yu,  
llDJ@
 
6zkaOA46V  
自由参数： }G=M2V<L  
 反射镜1后y方向的光束半径 e!`i3KYn"  
 反射镜2后的光束半径 |{;G2G1[  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） :,^gj  
 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。 NI5``BwpO  
$( )>g>%  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。
ax2B ]L2  
$M#>9QHhc  
zT/\Cj68  
结果：使用GFT+进行光束整形 )Z$!PqRw@u  
l0] EX>"E  
Q\)F;:|  
_|p8M!  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 *I'yH8F
cn  
E4!Fupkpf  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 Al'3?  
M2|is ~  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 #g=XUZ/"  
u>$t'  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： J
RFtsio*  
5;S.H#YOpO  
f)!Z~t &  
{$r[5%L\H  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ;=@0'xPEa-  
+#By*;BJ  
结果：评估光束参数 *H122njH+T  
h~26WLf.  
 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。
aT<q=DO  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 >+waX"e  
k8Xm n6X  
HThcn1u~^b  
 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。 7KPwQ?SjT  
 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） G`zm@QL  
|3%8&@ho  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd $"&JWT!#  
!c-*O<Y  
光束质量优化 *kVV+H<X|b  
AEuG v}#  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 q =Il|Nb>  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 ]~%6JJN7  
2(nlJ7R  
结果：光束质量优化 I|J/F}@p  
>MK98(F  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。 ]{kPrey  
kl,3IKHa  
6Iw\c  
.KC++\{HE  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） V,9cl,z+  
8D].MI^  
8] ikygt"  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ~v83pu1!2s  
Th[dW<  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 66 Tpi![  
)jC%a6G!  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 X@f}Q`{Ymj  
Wvqhl 'J  
 这意味着参数变化是的正态 PzGWff!*n  
>f'g0g  
`-&K~^-cH  
   (ik\|y% A  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。
6^Sa;  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 Jo}eeJ;k  
x`?3C"N:<  
.mAjfP*  
oRzi>rr  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run BZxvJQ  
:L;a:xSpn=  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） s{" 2L{,$  
z]Ue|%K  
JLi|Td"1%  
-^
57oU  
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。 3,=6@U  
?s _
5&j7  
总结 \4#W xZ  
&=Wlaa/,&  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 m6djeOl  
1.模拟 bTu9;(  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 l+R+&b^  
2.研究 XrPfotj1  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 #,.Hr#3nI  
3.优化
9C\Fq-  
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。 :lzrgsW  
4.分析 AK#1]i~  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 Z<4AL\l 98  
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。 x;')9/3  
ZW}_Qs  
参考文献 Gbw2E&a  
[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). 2Gdd*=4z  
)/EO&F  
进一步阅读 ^VACf|0  
Tqk\XILG N  
进一步阅读 m9A
!D  
 获得入门视频 l (%1jC8  
- 介绍光路图 Bnd [X  
- 介绍参数运行 -tNUMi'  
 关于案例的文档 [h:T*(R?  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 3Hm/(C  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 6_ow%Rx~F  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 6x|jPb  
- 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