[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） OQ=0>;>  
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 v4
$"{W;'  
n^xB_DJ~  
r9\7I7z  
简述案例 sFrerv&0  
q$ZmR]p  
系统详情 /[<1D|f%  
 光源 z\F#td{r  
- 强象散VIS激光二极管 Lo{g0~?x*  
 元件 8c%Sd'+Pt  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） O3*}L2j@  
- 具有高斯振幅调制的光阑 gt>k]0  
 探测器 ?D?ldg  
- 光线可视化（3D显示） Fk4T>8q2;  
- 波前差探测 }M0GPpv  
- 场分布和相位计算 v9_7OMl/x  
- 光束参数（M2值，发散角） f6$$e+  
 模拟/设计 C)z?-f  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 y' r I1eF  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： jl)7Jd  
 分析和优化整形光束质量 m|by^40A(  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ^T< HD  
.0a,%o8n  
系统说明 g^mnYg5
 
S}}L& _  
0nu&JQ  
模拟和设计结果 JjC& io  
j7>a^W  
数值探测器结果 -TT{4\%s  
N'@E^ rYc  
`z!6zo2d  
|!?lwBs4  
#*~3gMI{=  
总结 ]*&`J4i  
.Z9{\tj  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 pH/_C0e`7  
1.模拟 ZQ)vvD<  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 v1aE[Q  
2.评估 ']__V[  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 :< *xG&  
3.优化 p?H2W-  
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。 nYE''g+x  
4.分析 =c34MY(#X  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 zPyN2|iFah  
M/5+AsT  
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。 &^hLFd7j/  

&0k`=?v$  
详述案例 yLY$1#Sa  
fpA%
:V  
系统参数 FE4P EBXvu  
]q":ta!f  
案例的内容和目标 ph~d%/^jI  
dhCrcYn  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 wN2D{J
j  
s*9lYk0  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 E06)&tF  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 w^=uq3X?  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 +]$c+!khj  
GWCU9n  
模拟任务：反射光束整形设置 -& T.rsp  
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。 iw=~j  
h~-cnAMt  
#8CeTR23cw  
XQI!G_\+C  
WCL#3uYk"  
&,%+rvo}  
规格：像散激光光束 ZO*?02c  
=
DsFR9IB  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 *Q!I^]CR  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 iL8:I)z  
8o\KF(I  
)n{9*{Ch  
2=`}:&0l  

mXJ`t5v^l  
X 3(CY`HH[  
规格：柱形抛物面反射镜 ~@%#eg  
                         =j^wa')  
 有抛物面曲率的圆柱镜 a?]~Sw"@  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ()ZP=\L  
 曲率半径等于焦距的两倍 eQ80Kf~  
\o<&s{6L  
z"$huE>P6  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） n,*E s/\  
abtYa  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 dCO7"/IHW  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） HbMD5(  
 离轴角决定了截切区域 7$A=|/'nSA  
9ohO-t$XkY  
规格：参数概述（12° x 46°光束） AVi,+n  
FKU)# Eo  
   5-.{RU=  
wak`Jte=}m  
光束整形装置的光路图 / 0y5/  
"VI2--%v3  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 <qjolMO`  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 +x)x&;B)/  
VdE$ig@  
反射光束整形系统的3D视图 _64<[2  
1(vcM  
+1>\o|RF  
|3dIq=~1"Y  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 CW'<Nh  
 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）。 d'!abnF[d  
rPkPQn:  
详述案例 m?O"LGBB=  
6'\VPjt  
模拟和结果 ,.TwM;w=  
=g<Yi2  
结果：3D系统光线扫描分析 I!Uj~jV  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 P.'$L\  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 @i=_y+|d_  
{9|S,<9  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd )O$T; U  
vg-'MG  
使用参数耦合来设置系统 '=1@,Skj-  
n~'cKy)m  
自由参数： *#
;  
 反射镜1后y方向的光束半径 an,JV0  
 反射镜2后的光束半径 qd@Fb*  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 7da~+(yhr  
 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。  R7ExMJw  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 #(1R:z\:  
.(X!*J]G  
yCZ[z A  
Gn>~CoFN  
9}#9i^%}  
GpGq' 8|(  
自由参数： ldNWdz  
 反射镜1后y方向的光束半径 VCc57Bo  
 反射镜2后的光束半径 yYPFk  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ;-d2~1$  
 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。 YfJQ]tt1  
7YQ689"J6B  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 !Tu4V\^~A  
EQ2HQz]  
Lo uYY:Q  
结果：使用GFT+进行光束整形 KK41I8Mw  
+Q&CIo  
M<cm]  
L^{wxOf&6E  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 Ahrtl6@AS  
[J+]1hCZ|  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 "j%L*J)  
dY'>'1>P 9  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 _NB8>v
  
oxJ#NGD  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： c*Q6k<SKR  
EV|L~^Q  
.MI 5?]_  
m"tke'a  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd :B1a2Y^"  
q a}=p  
结果：评估光束参数 g33Y]\  
Qm2(Z8Gh  
 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]AM|2
D  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 #PZBh  
 Sn-D|Z  
iYb{qv_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。 T[]kun  
 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） )`-vN^1S-  
.8/W_iC92  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd <PTi>C8;r  
u,),kj<  
光束质量优化 %a$Fsn  
| sZu1K  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 q($fl7}Y  
 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）。 YV"LM6`  
%LBT:Aw  
结果：光束质量优化 ?&se]\  
`)_11ywZ  
 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。 0/0rWqg /  
9Li.B1j  
62{[)jt{  
W!4xE  
 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。） l$eKV(CZ4  
31n|ScXv  
&{(8EvuDd  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd V'XvwO@  
?*A"#0  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 iMXK_O%  
R;
Gf3K  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 )0xEI  
a@U0s+V&a0  
 这意味着参数变化是的正态 A
lQ  
P'q ._U  
+Y|HO[  
   o;M-M(EZQ6  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 G?QU|<mj<  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 t4CI+fqy  
9G=Z
B^  
LTt|"D  
1[r;  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run >Gyg`L\  
5N4[hQrVJ  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） b=j]tb,  
@dp1bkU  
um$K^  
NK0hT,_  
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。 ."\&;:ZNv  
yyVv@  
总结 lg!{?xM  
4*aNdh[t.  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 _Q3Ad>,U  
1.模拟 1F_ 1bAh$  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Z`lCS o;  
2.研究 8GD!]t#  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 hSyA;*)U  
3.优化 Q8
r
7  
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。 Mb0cdK?hA  
4.分析 K;_.WzWD=  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 Q&Ox\*sMK  
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。  >o"3:/3  
34P5[j!h  
参考文献 9#AsSbBpf  
[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). %<Q?|}  
ET7(n0*P}]  
进一步阅读 c(<,qWH  
:,^pLAt  
进一步阅读 (iZE}qf7g  
 获得入门视频 ^v].mV/  
- 介绍光路图 4SqZV  
- 介绍参数运行 6hs2B5)+  
 关于案例的文档 zu Jl #3YP  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens GL_a`.=@  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens hA81(JWG  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing L('G1J}  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair

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非常有用，谢谢！

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