[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） {xb8H  
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 @R%n &  
A?[06R5E#  
*'D( j#&  
简述案例 O>UG[ZgW  
`j+aAxJ=\  
系统详情 2LS
03 27  
 光源 ?;NC(Z,  
- 强象散VIS激光二极管 \q9wo*A  
 元件 1FC'DH!  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） "%$jl0i_c  
- 具有高斯振幅调制的光阑 ,z A9*  
 探测器 1&
%6sZN  
- 光线可视化（3D显示） 4cC  
- 波前差探测 7Gg3$E+#*  
- 场分布和相位计算  l* C>  
- 光束参数（M2值，发散角） La&?0PA  
 模拟/设计 yV`H_iC  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 zJC!MeN  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： SMX70T!'9  
 分析和优化整形光束质量 HLMcOuj  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 Cq mtO?vne  
xz!b@5DR'%  
系统说明 e5\/:HpI  
RsTz3]`yv  
aMaICM  
模拟和设计结果 lG[@s 'j  
\YXzq<7  
数值探测器结果 1!N|a< #  
L!:8yJK  
4oxAC; L  
is?#wrV=K  
jh7-Fl
`  
总结 6}z-X*  
b'x26wT?  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 <Zb~tYp  
1.模拟 /\7E&n:)2  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 SSr#MIS?
 
2.评估 %XF>k)  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 "Zh3,  
3.优化 gc<w nm|  
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。 9w)W|9  
4.分析 #BLx +mLq  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 j\hI, mc  
RIm8PV;N  
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。 8]@$7hy8  
0Dt-!Q7  
详述案例 S4ys)!V1V  
If>bE!_BO  
系统参数 }xa~U,#5  
j^1Yz}6nR  
案例的内容和目标 EvP\;7B  
m;4qs#qCg?  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 ,=
IGqw  
uh<e-;vU  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 9$q35e  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 v ^R:XdH  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 -HU4Ow  
,{C hHnJ%#  
模拟任务：反射光束整形设置 1w!O&kn  
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。 ?/}N  
Tlm:
:S   
Y*QoD9<T?;  
jO0"`|(]s  
Ul<:Yt&nI  
G' '9eV$  
规格：像散激光光束 207FD
 
?={S"qK(q  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ]iYO}JuX  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 2,6~;R  
3;JF5e\?x  
2Krh&  
/.WIED}>  
K(,MtY*  
8#nAs\^  
规格：柱形抛物面反射镜 IhHKRb[  
                         A<y]D.Z"  
 有抛物面曲率的圆柱镜 gHtflS  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 H+ 7HD|GE  
 曲率半径等于焦距的两倍 d=0{vsrB  
9H/C(Vo  
bA1O]:`  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） BJt]k7ku+  
TQtH
U6  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 OFxCV`>ce  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） *P/DDRq(2  
 离轴角决定了截切区域 p}Um+I=1  
dZY|6  
规格：参数概述（12° x 46°光束） I7\T :Q[  
CXBFR>"  
   {
"2Hv;x  
h$XoR0  
光束整形装置的光路图 q"5\bh1"  
f_Hh"Vh  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 'h@&rr@5  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 lcM  
kRr/x-"  
反射光束整形系统的3D视图 >@h#'[z,d  
K^",LCJA  
+s6v!({Z  
njaKU?6%d2  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ,|GjrT{vf  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 Rt7l`|g a+  
v$xurj:v#i  
详述案例 |S~$IFN4  
]9~Il#  
模拟和结果 \mTi@T!&  
7[mP@ {  
结果：3D系统光线扫描分析 F vTswM>  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 >5E1y!  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 R! n7g8I%  
#k1IrqUp  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd jo1z#!|Yw}  
l8J2Xd @   
使用参数耦合来设置系统 JIjo^zOXsc  
h4=mGJpm
 
自由参数： obN8+ j  
 反射镜1后y方向的光束半径 `DE_<l  
 反射镜2后的光束半径 W9oWj7&h  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） \3]O?'  
 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。 1M6^Brx  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 db=S*LUbl  
'r(g5H1}gi  
jt(GXgm  
u.G aMl4 (  
2ga8 G4dU  
Vugb;5Vl  
自由参数： ._t1eb`m{  
 反射镜1后y方向的光束半径 >)u{%@Rcy{  
 反射镜2后的光束半径 m`n~-_  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ^16zZ*
 
 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。 CW/<?X<!n  
00s)=A_  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 eMdf[eS  
(2QfH$HEk  
%rgW}Z5  
结果：使用GFT+进行光束整形 G<$8g-O;D  
;<;~;od*/  
fLd2{jI,  
~'0ZW<X.  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 `u R`O9)e  
1Sza%D;3  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 GQJ4d-w  
'-J<ib t  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 'ey62-^r6  
S0gxVd(  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： nT+ZSr  
Q4/BpKL  
XJKns
  
"frioi`a2  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd HRjbGc|[  
ZZHzC+O#^  
结果：评估光束参数 EY3F9h3xM|  
oyY z3X  
 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。 p >ua{}!L  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 Rg\4#9S JF  
}&v-<qC^  
j;V\~[I^u  
 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。 #"?pY5 ("  
 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） SdYbT)y  
%n8CK->  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd %G,7Ul1f  
j}s/)}n|  
光束质量优化
+:=FcsY  
#Ha"rr46p  
 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。 -sZ'<(3  
 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）。 0'.z|
Jg=  
3N+B|WrM  
结果：光束质量优化 ;~djbo0,X  

c}|.U  
 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。 2yZ~j_AF[  
m[Ihte->  
o<Mccj  
p-)@#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。） Q&w_kz.  
Ta/zDc"e  
p{W Amly  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 7-n HP
Dp'  
T,uF^%$@AQ  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 &qSf ~7/  
?E V^H-rr  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 ("j;VqYUL  
}fkdv6mz  
 这意味着参数变化是的正态 %saP>]o  
nvLdgu4P>  
"(p/3qFY  
   *y7Yf7  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 J%
xUO1  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 \o2l;1~  
gg^iYTpt  
pM+9K:^B  
bt
nD+O66<  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run I0Allw[  
||TZ[l  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） L
Jb=9tp~  
_unoDoB  
_=`DzudE  
8jL^q;R_(  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 O`%F{&;29  
4VeT]`C^h  
总结 'q~
<ZO  
Wf5;~RJC?  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 :eD-'#@$u  
1.模拟 m{U
h{G$  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 L aA<`  
2.研究 ]3='TN8aQF  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 Qx|HvT2P  
3.优化 ;vPFRiFK  
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。 'WmjQsf  
4.分析 T|h!06   
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 xZ%3e sp  
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。 :8}Qt^p  
'~f*O0_  
参考文献 83_mR*tGNp  
[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). \r{wNqyv  
EXH,+3fQp  
进一步阅读 }W!w  
a_[+id  
进一步阅读 j"TEp$x  
 获得入门视频 sh`3${  
- 介绍光路图 K%/\XnCY  
- 介绍参数运行 hR2 R  
 关于案例的文档 g[@0H=  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 9fTl6?x  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens yV L >Ie/  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 7.2!g}E  
- 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