[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） nXuy&;5TL,  
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 W}k/>V_  
#l*w=D?  
n%}#
e!  
简述案例 [Ak
0kH>  
C%%gCPI^y  
系统详情 i}f"'KW  
 光源 0Bkc93  
- 强象散VIS激光二极管 l"h6e$dP  
 元件 7uu\R=$  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） V<}chLd,  
- 具有高斯振幅调制的光阑 -U7,~z  
 探测器 Q7zpu/5?  
- 光线可视化（3D显示） NTGWI$  
- 波前差探测 _K!)0p  
- 场分布和相位计算 ~XXNzz]?  
- 光束参数（M2值，发散角） AYs
HA w  
 模拟/设计 g^#,!e  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 #N"QTD|i  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： YoK )fh$  
 分析和优化整形光束质量 l%u8Lq  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 m}beT
~FT_  
4kK_S.&  
系统说明 yr.sfPnJK  
R%9,.g<  
_Wp.s]D [  
模拟和设计结果 SY}"4=M?l  
s gZlk9x!Q  
数值探测器结果 k O.iJcZg  
VHLNJnA  
n-GoG(s..b  
I2)2'j,B  
oe=1[9T"  
总结 puh-\Q/P  
j]mnH`#BL  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 oykb8~u}}  
1.模拟 jnM}N:v  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 SC3_S.  
2.评估 2P=~6(  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 yKz%-6cpSl  
3.优化 l&Y'5k_R  
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。 vr6YE;Rs  
4.分析 r&F 6ZCw  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 mM{cH=  
?O]RQXsZ2  
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。 $:A80(#+  
R
$QhuxT|  
详述案例 \W\*'C8q\  
3m&  
系统参数 #\K"FE0PGz  
N&$ ,uhmO  
案例的内容和目标 +A$>F@u  
8WKY 4nkj  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 r{*BJi.b  
>V\^oh)t]t  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Pj!f^MN  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 $e uI  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 'C>sYSL  
vbG&F.P  
模拟任务：反射光束整形设置 z'"Y+EWN  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 Zdfh*MHMg  
Krl9O]H/[  
kN#3HI]8  
(I+e@UUiL  
q_9 tbZ;  
<:8Ew  
规格：像散激光光束 h 'Hnq m  
+NiCt S  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 0f'LXn  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ip1gCH/?_+  
hp2$[p6O  
mGkQx -|  
_qo\E=E  
,^DP  
+B&+FGfNU  
规格：柱形抛物面反射镜 Oi-%6&}J  
                         d
t"&  
 有抛物面曲率的圆柱镜 } .<(L  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 M9Nr/jE  
 曲率半径等于焦距的两倍 ~_g{P3  
'6*9pG
-  
!DF5NAE  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 4x#tUzb;  
cRWB`&  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 S.<4t*,  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 4:/^.:  
 离轴角决定了截切区域 Hk(=_[S  
YhC|hDC  
规格：参数概述（12° x 46°光束） {OOn
7=  
VYt<j<ba  
   JZ&_1~Z=  
?zbWz=nq  
光束整形装置的光路图 o
/n4M]G  
t`>Z#=cl\  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 f$vTDak  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 %&q}5Y4!  
qV/>d',  
反射光束整形系统的3D视图 {];-b0MS~  
tCar:p4$  
MX.?tN#F|H  
ErQ6a%~,  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 c& bms)Jwa  
 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）。 evNe6J3  
]]3rSXs2}J  
详述案例 (Nv-wU  
s{j A!T}  
模拟和结果 S kB*w'k  
{t!7r_hj  
结果：3D系统光线扫描分析 BBv+*jj  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 =)gdxywoC  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 fGRV]6?V  
\k{[HfVvn  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd \j3dB tc  
Re %dNxJ=  
使用参数耦合来设置系统 M]/DKo  
a(D=ZKbVU  
自由参数： o P;6i  
 反射镜1后y方向的光束半径 nAAv42j[  
 反射镜2后的光束半径 >}W[>WReI  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 9cU9'r# h  
 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。 sf# px|~9  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 E-FR w  
!6@'H4cb=  
Pz\K3-  
.>P:{''  
sowwXrECg@  
SW'eTG  
自由参数： cC+2%q B  
 反射镜1后y方向的光束半径 5,g +OY=\  
 反射镜2后的光束半径 Z@f{f:Jc/"  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） {*[(j^OE
 
 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。 mtn^+*  
o)^
Wz  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 SgehOu  
/F(n%8)Yq  
rjO{B`sV*  
结果：使用GFT+进行光束整形
rDa{Ve  
G9yK/g&q  
d!YP{y P  
zB~<@  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 hp
PacN
 
]
sk=V.GGQ  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 V[KN,o{6  
2zW IB[  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 s.Ai_D  
Fb=uN   
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： |iUC\F=-  
Jou*e%  
%A=/(%T>  
IDFzyg_
 
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd q!@!eC[b  
[|=M<>?[  
结果：评估光束参数 b/]4#?g  
,m5i(WL  
 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。 J'$NBws  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 r9'[7b1l  
!]82$  
:Ev gUA\4  
 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。 .hR <{P  
 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） z[v4(pO6  
fx[&"$X  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd tZz
%x?3G  
>(S)aug$1  
光束质量优化 10*Tk 8  
fe98Y-e  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 9&AO  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 jYRSV7d  
V3q`V/\  
结果：光束质量优化 5)lcgvp  
W/>a 1  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。 \GxqE8  
o /[7Vo  
;M4[Liw~O  
]Z8u0YtM)  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） 3WGET[3  
8Sj<,+XFq  
c]aU}[s1  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd [Tp?u8$p`  
qpYgTn8l7  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 {L%
JDJ  
fI<LxU
_n:  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 ;Jg$C~3tf  
aH'fAX0bF  
 这意味着参数变化是的正态 RBn/7  
hQm=9gS  
vjx'yh|  
   $Z#~wsw  
 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。 D5@=#/
?*  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 @tm2Y%Y!  
N'WTIM3W  

9U6$-
]J  
S*h^7?Bu  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run *af\U3kx  
yj4"eDg]  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） )-&@8`  
D!,5j_,j%  
Xpg-rxX  
BNCM{}e  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 xOj#%;  
B]G2P`sN  
总结 =+MF@ 4  
8$_{R!x  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 E0
+L?(;  
1.模拟 MLHCBRi  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 XKky-LeJ  
2.研究 }'eef"DJ9  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 e&VC}%m  
3.优化 $`3yImv+w  
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。 5_E8 RAG  
4.分析 }vZf&ib-   
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 -^m?%_<50l  
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。 |w|c!;,  
it\$Pih]  
参考文献 `KA==;0  
[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). ?YL JXq
 
,FzkGB#  
进一步阅读 SqPqL<,e  
5WHz_'c  
进一步阅读 ~O\A 0e  
 获得入门视频 q=88*Y  
- 介绍光路图 6I"KomJ9  
- 介绍参数运行 p]RQ-0  
 关于案例的文档 erEB4q+ #O  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens e7;7TrB.  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens piM4grg \  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing .>R`#@+I  
- 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