[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） Y fA\#N0;3  
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 NKKOA  

>[: 2  
"6.p=te  
简述案例 SkA'+(  
$?-o  
系统详情 }_22wjm~  
 光源 $:N "*  
- 强象散VIS激光二极管 }x1IFTa!  
 元件 z{0;%E  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） vUs7#*  
- 具有高斯振幅调制的光阑 yjR O9  
 探测器 g0OS<,:
 
- 光线可视化（3D显示） ;T+U&U0d|  
- 波前差探测 -b}S3<15@  
- 场分布和相位计算 -\$cGIL  
- 光束参数（M2值，发散角） D*gVS  
 模拟/设计 pe%)G6@G  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 gVJ#LJ  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： mRY6[*u  
 分析和优化整形光束质量 UeMe4$m  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 15 11<,  
7 aD&\?  
系统说明 X/Rx]}[   
M9g\/]Io;  
'f7 *RSKqb  
模拟和设计结果 y]_8. 0zM  
%=8(B.I!  
数值探测器结果 )V/lRR&  
;6txTcn`=  
o[[r_v_d  
Q9xx/tUW  
~o'#AP#N~  
总结 _xgVuJ  
PbHh?iH  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 fP1OH&Ar  
1.模拟 a`~eC)T  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ^r_lj$:+$  
2.评估 kz;_f  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 :U.)YHY  
3.优化 i!$^NIcJ  
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。 >[fVl8G_0  
4.分析 :+Q"MIU  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 za]p,bMX  
^+Vk#_2Q  
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。 xhkWKB/7  
2C]la  
详述案例 lJzy)ne  
SslY]d]  
系统参数 e_c;D2'F  
4<Sa,~4  
案例的内容和目标 :sVHY2x  
1H4Zgh U
 
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 >`<2}Me6  
soq".
+Q  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 iE^a%|?}  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 %|(?!w7  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 2vkB<[
tSs  
IiK(^:~%  
模拟任务：反射光束整形设置 Az< 9hk  
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。 V9E6W*IE  
\;*}zX  
$'knK<  
#jLaIXms  
{y:#
'n  
6Z7pz
tk  
规格：像散激光光束 lke
~>0;  
q#(/*AoU  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 XJh:U0  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 N8XC~Dh{  
mheU#&|  
`N,Vs n"  
a}Fkx  
%7]XW2u  
9vp%6[  
规格：柱形抛物面反射镜 wVp4c?s  
                         E./__Mz@  
 有抛物面曲率的圆柱镜 P*SCHe'  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ?cO8'4 bq  
 曲率半径等于焦距的两倍 NYjS  
!b7'>b'J<1  
-jVaS wt  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） {M@@)27gW  
fQQsb 5=i  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 NuD[-;N]  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） fK'.wX9  
 离轴角决定了截切区域 B`*f(  
`c'  
规格：参数概述（12° x 46°光束） -SvTg{Q{la  
G'O/JM  
   Hwp{<  

={`CHCI  
光束整形装置的光路图 Y$`eg|$  
q]eFd6  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 (T|TEt  
 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。 2~!R*i  
+}^|dkc  
反射光束整形系统的3D视图 4mN].X[,  
h(@R]GUX  
skIiJ'db  
6Wpxp\  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 `KpFH.k.K  
 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）。 dGW{l]N  
76-jMcGi  
详述案例 S]&8St  
BXg!zW%+  
模拟和结果 w66v\x~  
@Od^k#  
结果：3D系统光线扫描分析 EntF@ln!  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 :dP~.ZY7  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 e~{^oM  
B%tIwUE2  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd {L@+(I  
'>j<yaD'  
使用参数耦合来设置系统 7}be>(  
Rj[hhSx 2  
自由参数： &]P"48NT  
 反射镜1后y方向的光束半径 HA6G)x  
 反射镜2后的光束半径 KRYcCn  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） &E bI Op  
 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。 P+<BOG|m  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 (1CJw:  
Q%ruQ#  
XrF3kz!44  
bGv*-;*  
o=pt_!i/  
?c!:81+\  
自由参数： gH %y  
 反射镜1后y方向的光束半径 25:Z;J>  
 反射镜2后的光束半径 3VmI0gsm.>  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ><;Q@u5~  
 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。 .~3kGf":  
)QmGsU}?  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 5m4DS:&  
\PpXL*.  
! ja[4.  
结果：使用GFT+进行光束整形 x97L6!  
CSL#s^4T  
?^ZXU0IkP  
y&"!m}  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 79ckLd9  
j{"z4Y4  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 "PMQyzl  
*8bK')W  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 z8HsYf(!  
V<8K@/n@  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： xCWz\-;  
hSB?@I4s<\  
8eluO ?p  
jin db#)bz  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd +2RNZEc
 
q"akrI38  
结果：评估光束参数 ;+ azeW^  
5 L/x-i  
 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。 6;o3sf@Tf  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 hN   
F8<"AI  
R(k}y,eh.`  
 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。 u%u&F^y  
 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） @w\I qr  
FJeiY#us  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd prtK:eGe2  
%@?A_jS  
光束质量优化 ~.^AL}zm_  
+dk fcG  
 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。 =su]w2,Iy  
 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）。 `&!k!FZY*  
bFY~oa%C  
结果：光束质量优化 p[9s<lEh  
$A2n{  
 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。 mM_ k^4:  
irbw'^;y  
${I*nh>=  
, sjh^-;  
 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。） 0 Y>M=|  
z.36;yT/  
D3D}DaEYj  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd kGHQ`h  
_{4^|{>Pv  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 Io n~  
+lE90y  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 wi_

'iv  
4;<ut$G  
 这意味着参数变化是的正态 I|9 SiZ0  
pTJX""C  
3BG>Y(v  
   ALc`t(..}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。 Z hd#:d  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 u JY)4T  
%eg+F  
H1/?+N}(  
UAn&\8g_  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run L\%orLEmK  
%<0eA`F4  
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） 5]5 KB;  
W3H+.E  
:o46rBs  
oD9^ID+  
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。 _n;;][
]S  
0[Ht_qxb  
总结 ? *>]")[>  
?t](a:IX  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 3]RyTQ
 
1.模拟 Wp)*Mbq@  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 99xEm  
2.研究 2ZcKK8X;7  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 6$\jAd|  
3.优化 T 20&F  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 4_A0rveP  
4.分析 
XI<L;  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 lVOu)q@l7g  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 R:X0'zeRr  
f>`dF?^6  
参考文献 >-8cU_m7s  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). aJ Z"D8C  
#>lG7Ns|4  
进一步阅读 rf~Y
6U?7  
u .f= te  
进一步阅读 oVFnlA  
 获得入门视频 Q7Iw[=;\  
- 介绍光路图 7lV.[&aKW  
- 介绍参数运行 I$q]. B  
 关于案例的文档 |a1{ve[  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens k:jSbbQ  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens tW WW
x~k  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing hj'(*ND7z  
- 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