[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） +%>L;'L ^X  
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 #UGbSOoCtn  
AY *  
"w_(p|cm=  
简述案例 JDMa
Lo  
'l<kY\I!%  
系统详情 d5WE^H)E.  
 光源 Vuz!~kLYIn  
- 强象散VIS激光二极管 Y @K9Hl
  
 元件 wBmbn=>#S  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） )fCl<KG*  
- 具有高斯振幅调制的光阑 :!aFfb["  
 探测器 l sUQ7%f  
- 光线可视化（3D显示） r%xNfTa  
- 波前差探测 @zPWu}&m  
- 场分布和相位计算 oXz:zoN
Q  
- 光束参数（M2值，发散角） o]k[l;  
 模拟/设计 6o6m"6  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ^(6.P)$  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： @c.QrKSaD  
 分析和优化整形光束质量 4V[+
6EV  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 1zl@$ Nt  
@o>2:D1G  
系统说明 tM!1oWH  
*9*I:Uh57  
c{&sf y  
模拟和设计结果 iF`E>
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LWIU7dw  
数值探测器结果 JbG+ysn  
8BWLi5R[  
C0kwI*)  
AoTL)',  
J)o~FC]b*  
总结 m4kmJaM  
7eu7ie6  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 lYq R6^  
1.模拟 7$b78wax  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 6idYz"P %  
2.评估 N(F9vZOs  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 N!btj,vx  
3.优化 n1!u aUC  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 McA,  
4.分析 TrHBbyqk  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 k deJB-  
T\2cAW5  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 a*vi&$@`Z1  
0R*!o\y  
详述案例 !f"@pR6  
t1Cyyb  
系统参数 -vhgBru  
V_Y SYG9f  
案例的内容和目标 gKBcD\F  
`bivAL  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 a*??!  
(8{h I  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ~2=B:;  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 Fet>KacTht  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 &o)j@5Y?  
N)&3(A@  
模拟任务：反射光束整形设置 [t?ftS  
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。 YZ'gd10T  
NlWIb2,  
/SP^fB*y  
@XB/9!  
^bS&[+9E  
E[e ''  
规格：像散激光光束 -_A0<A.  
z`{Ld9W  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ~ dmyS?Or  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ].`i`.T  
z)
Bc91A  
_H@S(!  
C3WqUf<8`{  
u'P@3'P  
>'E'Mp.  
规格：柱形抛物面反射镜 DTgF,c  
                         H@MUzV  
 有抛物面曲率的圆柱镜 YHg4WW$  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 72luTR Q  
 曲率半径等于焦距的两倍 hb[K.`g  
Z>M0[DJ_  
@K2q*d  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） F&I^bkvh  
8"RX~Igf  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 N(&,+KJ)  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） r1$ O<3\  
 离轴角决定了截切区域 m$0T"`AP`  
-:>Mi5/ s  
规格：参数概述（12° x 46°光束） |)yO]pB:  
IQY\L@"  
   1;g>?18@  
'}]w=2Lf  
光束整形装置的光路图 57rc|]C  
M0 =K#/  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 +qDudGI  
 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。 [7Q|vu  
~b\bpu  
反射光束整形系统的3D视图 8T7[/"hi\  
:J}L| `U9  
2NqlE  
U(.Ln@sq  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 \_CC6J0k  
 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）。 gz Qc  
2["bS++?  
详述案例 `A3"*,|z
 
-
h8A<  
模拟和结果 XwE(&ZCf'b  
A0 x*feK?  
结果：3D系统光线扫描分析 0x[v)k9"0  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 $hn#T#J3  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 i|y8n7c  
sHmzwvpLA  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd =P-kb^s  
vRYfB{~  
使用参数耦合来设置系统 5fDVJE "9"  
}e&   
自由参数： k7'B5zVd  
 反射镜1后y方向的光束半径 Mb"i}Yt{  
 反射镜2后的光束半径 mfg{% .1  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 7[.aAGTZ;  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 oj;Rh!O  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 nV@k}IJg:?  
&X }GJLC3  
6;"jq92in*  
x9p,j  
n2Q~fx<6%  
_.KKh62CN  
自由参数： pmv;M`_|R  
 反射镜1后y方向的光束半径 Z9E[RD  
 反射镜2后的光束半径 M._9/ *C U  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） _2R;@[f2  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 ~$Xz~#~  
Akb#1Ww4  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 BRi\&&<4  
iLIH |P%  
5k)/SAU0  
结果：使用GFT+进行光束整形 Y1h8O%?  
pIXbr($  
[]}E- V  
g+bc4eU  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 >WVos 4  
-hZlFAZi  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 :D\M.A  
D C{l.a.  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 5 <X.1T1  
>TK:&V  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： +fBbW::R^  
lZCTthr\  
*9Ej fs7L  
\fj*.[,  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 7_xQa$U[  
7O',X Y  
结果：评估光束参数 Oi+9kk e  
df
AnOF"-  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 b1>zGC^|  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 Ka%u#};  
]q~_  
5?9K%x'b  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 /@h)IuW  
 M2值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M2值是由光束偏离引起的） b*i_'k}*<g  
o/I'Qi$v-  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd Kx==vq%39  
lgWEB3f .  
光束质量优化 %#kml{I   
us%dw&   
 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。 OMgFp|^  
 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）。 $o2H#"  
m?G@#[ l  
结果：光束质量优化 .dM4B'OA?  
fhp\of/@ R  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。 ,Q:Ylc8  
*|n-Hr  
'b1k0 9'  
onqfmQ,3E  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） h]WPWa)M  
T)4pLN E  
r Z)?uqa  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 7-S?\:J  
O\0]o!  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 lqdil l\  
drRi<7 i  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 p6P .I8g  
B'[FnJ8~  
 这意味着参数变化是的正态 V&e9?5@  
EH1GdlhA  
PiQsVk  
   \;#T.@c5  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 !C]2:+z-MF  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 &=ZVU\o:  
)c432).Z  
5 1&||.  
Uphme8SX  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run aUZh_<@  
=emcs%  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） #POVu|Y;h  
L?h'^*F H}  
~F; ~  
Ov<EOK+^  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 dC,a~`%O  
T- ~l2u|s  
总结 EjY8g@M;t  
76 ]X  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ;-]' OiS;  
1.模拟 1 >}x9D  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 kfc5ra>&  
2.研究 FUTD/y]Lu  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 @*>kOZ(3  
3.优化 r.z=  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 LZR x>q^  
4.分析 esh7*,7-z*  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 =5l20 Um  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 Qvc$D{z  
'GyO  
参考文献 cVb&Jzd  
[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). >v?&&FhHK<  
v~.nP} E^  
进一步阅读 uE'O}Y95  
arWP]%E0W  
进一步阅读 WWBm*?U  
 获得入门视频 Acix`-<  
- 介绍光路图 &hnI0m=X  
- 介绍参数运行 k.5(d.*(  
 关于案例的文档 -|.Izgc  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens %noByq,?  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens NB^+Hcb$  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing <@448,9&  
- 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