[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） cG:`Zj~4  
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 KoJG!Rm  
_O%p{t'q<  
{@AcL:Eit  
简述案例 }o-P   
,be?GAq  
系统详情 3~ZVAg[c  
 光源 W)cLMGet  
- 强象散VIS激光二极管 _4$DnQ6&  
 元件 N
~jQ!y  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） c^IEj1@}'?  
- 具有高斯振幅调制的光阑 h$\hPLx  
 探测器
($>0&w  
- 光线可视化（3D显示） hJsC \C,^  
- 波前差探测 8zWPb  
- 场分布和相位计算 w>_EM&r6~u  
- 光束参数（M2值，发散角） ':]a.yA\1  
 模拟/设计 1,'^BgI,  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 &NeYKh?  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： ,r;d{  
 分析和优化整形光束质量 9G+rxyWMW  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 I;H9<o5  
a HL '(<  
系统说明 ZF(=^.gc  
gq3OCA!cX  
 a|uZJ*  
模拟和设计结果 Po.BcytM  
:OaQq@V  
数值探测器结果 m?$G(E5  
x)ZH;)  
Gw^=kzh  
@(fY4]
K  
G| oG:  
总结 O/oYaAlFF@  
yuDd% 1k  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 C/XyDbH  
1.模拟 gEHfsR=D6  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 BrMp_M  
2.评估 Q$/FgS  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 >Eg.c  
3.优化 n@[</E(  
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。 =3dbw8I  
4.分析 J&65B./mD9  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 eAKQR  
ik0Q^^1?Y  
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。 9k[},MM  
{eN{Zh5"  
详述案例 M`pTT5r  
-01 1U!  
系统参数 C+m^Z[
 
Ds,"E#?  
案例的内容和目标 {<4?o? 1g  
L4*fF  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 4eL54).1O  
`+Z#*lj|@  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Qwo9>ClC  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 m3Z}eC8LK  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 )X!DCL:16  
Yk@s"qm3  
模拟任务：反射光束整形设置 !2U7gVt
"*  
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。 @3TkD_B&  
jI2gi1,a  
Z6([/n  
c$<O0dI  
P9mxY*K)%5  
V -4*nV  
规格：像散激光光束 _.*4Y  
/Q>{YsRRB  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 FoD/
Q  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动  )P9{47  
h*%0@  
\R>5F\ 0  
n5*{hi  
mImbS)V  
,#jhKnk2e  
规格：柱形抛物面反射镜 -1r&s  
                         9_A0:S9Z  
 有抛物面曲率的圆柱镜 vWi.[]  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ivUsMhx>S,  
 曲率半径等于焦距的两倍 .6 ?>t!&W  
a.&#dxgW[  
7}tZ?vD  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 9H, &n
ET  
+V+*7s%fL  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ZDkD%SCy  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） CNRU"I+jU  
 离轴角决定了截切区域 "kBqY+:Cn  
BXK::M+  
规格：参数概述（12° x 46°光束） :Nj`_2  
l88a#zUQDN  
   zhX`~){N6  
rq(~
/Yc  
光束整形装置的光路图 4>"cc@8&~  
bu"68A;>  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 'f?&EsIV?  
 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。 ~Riu*<  
T:g4D z*2\  
反射光束整形系统的3D视图 w^'?4M!  
[ 4Y `O  
Msa6yD#  
q~Q)'*m  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 qv0 DrL,3  
 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）。 oLqbR?  
$uFh$f  
详述案例 EB29vHAt~  
rTsbP40  
模拟和结果 4I#eC#"  
;&W;  
结果：3D系统光线扫描分析 T$8@2[  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 }$0xt'q&  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 io9xI3{  
d(DX(xg  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Oa}V>a  
zOiY0`=  
使用参数耦合来设置系统 aZawBU.:  
H7yg9zFT N  
自由参数： FfYd+]+?  
 反射镜1后y方向的光束半径 GIRSoRVsh  
 反射镜2后的光束半径 :<N6i/  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） <nb3~z1  
 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。 KYkS6|A  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 M)`HK .  
aucZJjH  

Xb<DpBrk  
K{zCp6  
?}=-eJ(7e  
#j^('K|  
自由参数： %l
8*t$8  
 反射镜1后y方向的光束半径 Y[iDX#  
 反射镜2后的光束半径 %su}Ru  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） C?[a3rNH(  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 ?y>Y$-v/C  
uOG-IHuF  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 dcl.wD0~V  
SY$J+YBLM  
`sk!C7%  
结果：使用GFT+进行光束整形 |%'6f}fnE  
{*?sVAvj  
C@y}*XV[b  
(Pk"NEP  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 Ue{vg$5||  
})
o~E  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 kfqpI  
mFqSD  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 tLD~  
KMK&[E#r  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差：  cS D._"P  
\);.0  
6%g
B E  
O;X(pE/G  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd )YzHk ;(  
~|CJsD/  
结果：评估光束参数 > $w^%I  

0T9@,scY  
 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。 a>wfhmr  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。
%s$rP  
/OQK/ t63  
U,Z"G1^  
 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\{qH!?t  
 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） On{~St'V
 
KqM!!  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd w
`c0a&7  
xab]q$n]k  
光束质量优化 1Yc%0L(  
tmO;:n<N  
 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。 kAZC"qM%i  
 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）。 $uEJn&n7}  
Z69+yOJI  
结果：光束质量优化 H-eEhI(;O  
! jbEm8bt  
 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。 uy/y wm/?=  
`%-4>jI9-  
Y%<`;wK=^  
BRQ"A,  
 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。） 33Ssylno
 
![^EsgEB*  
]>tq|R78  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd %mY|  
z^4KU\/JK  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 9<xTu>7J  
%x&F
4U  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 <=q*N;=T,  
ds- yif6  
 这意味着参数变化是的正态 [NYj.#,oR  
QJx9I_  
?22d},.  
   f?,-j>[.=f  
 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。 TE3*ktB{N
 
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 pG/ NuImA  
'@'B>7C#  
BjM+0[HC  
:/+>e IE  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run }l~]b3@qu  
as>:\hjP##  
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） 82lr4  
5^\m`gS  
cp$.,V  
\CcmePTN#x  
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。 IuNkfBe4m  
H{ZLk,  
总结 +H7y/#e+3  
E]NY (1  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 {5>3;.  
1.模拟 d-~vR(tU  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 vCj4;P g  
2.研究 7'Lp8  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 VsEGX@;tO  
3.优化 ~%`EeJwT  
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。 d+tj%7  
4.分析 V|TA:&:7  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 'f 3HKn<L  
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。 9hy'DcSy,  
t
yB)HF  
参考文献 9qEOgJ  
[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{o? #Sk1  
D-6
  
进一步阅读 oew|23Ytb  
D}MoNE[r  
进一步阅读 =nzFd-P  
 获得入门视频 _74UdD{^o  
- 介绍光路图 R;r|cep  
- 介绍参数运行 HL@TcfOe
~  
 关于案例的文档 >rKhlUD  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ?9p$XG  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens Mq@}snp"S  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing mmHJh\2v
 
- 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