[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） ~/s(.oji  
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 A+v6N>}*  
e@N@8i"q5  
OhMnG@@  
简述案例 7(c7-  
W(U:D?e  
系统详情 t@(S=i7}-  
 光源 |35"V3bs  
- 强象散VIS激光二极管 t;X  !+  
 元件 =yo?]ZS  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） ~k>H4hV3  
- 具有高斯振幅调制的光阑 /NRdBN  
 探测器  ;LEO+,6  
- 光线可视化（3D显示） Y&M}3H>E  
- 波前差探测 1KwUp0%&  
- 场分布和相位计算 9XtR8MH  
- 光束参数（M2值，发散角） ?t<yk(q  
 模拟/设计 =_~bSEqyRI  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 k$]-fQ
M  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： ('k;Ikut  
 分析和优化整形光束质量 n<RvL^T=  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 a&oz<4oT  
'M
ZX"t  
系统说明 Q'-g+aN  
~1e?9D  
( 
-^-  
模拟和设计结果 XIQfgrGZ  
>a;0<Ui&Q  
数值探测器结果 /S9s%scAy  
fCg"tckE  
JG6"5::  
S ?v^/F  
i$`OOV=/e  
总结 2^Y@e=^A  
.A 12Co  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 YT:])[gVV  
1.模拟 g Mhn\  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 G.Z4h/1<  
2.评估 2|a@,TW}-  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。
|S0]qt?  
3.优化 ~+_|J"\  
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。 2Cy">Exl  
4.分析 w.v yEU^  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 kQm\f  
1 /@lZ  
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。 )1de<# qM  
B_Qi  
详述案例 z +NxO!y  
gN"Abc  
系统参数 H#P)n R M  
M@)^*=0H  
案例的内容和目标 4DGc[  
r
uqx#]-  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 Hz A+Oi  
2RW^Nqc9  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 d:|(l^]{r  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 ~n)gP9Hv  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 VE_%/Fs,  
fMg3  
模拟任务：反射光束整形设置 mC
-'z  
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。 "v%|&@  
\gtI4zl*J  
F|Y}X|x8Q  
3RYg-$NK[  
<|qh5Scp  
funHznRR  
规格：像散激光光束 zp
PzXQv]/  
ZmT N  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 Glz yFj  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ^Ob#B!=  
Mq
A%hlq  
8Xo`S<8VS  
!%v=9muay  
8[2.HM$Y  
]J`yh$a  
规格：柱形抛物面反射镜 drv"I[}{A  
                         zxo0:dyw7  
 有抛物面曲率的圆柱镜 ^ W/,Z`  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ,B^NH7A:  
 曲率半径等于焦距的两倍 |dLA D4%  
/3]b!lFZZ  
P:`tL)W_  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） G/cE2nD  
^;KL`  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 C}})dL;(  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） CBj&8#8Z  
 离轴角决定了截切区域 1m$< %t.>  
CO+[iJ,4C+  
规格：参数概述（12° x 46°光束） SL( WE=H  
sg=mkkD!g  
   naQ0TN,  
]yR0"<W^xO  
光束整形装置的光路图 J}c`\4gD  
Hh|a(Zq,  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 >icL,n"]  
 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。 a.oZ}R7'Y  
QH?}uX'x)G  
反射光束整形系统的3D视图 $}9.4`F>  
wK0= I\WN9  
KINKq`Sx  
=K#12TRf  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 |l*#pN&L  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 VaLx-RX  
6f$h1$$)^  
详述案例 n$z}DE5 #  
h3Bs  
模拟和结果 =f4v: j}'|  
2f;fdzjk8K  
结果：3D系统光线扫描分析 qQL]3qP  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 d8Keyi8[  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 5LPyPL L  
{95z\UE}  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ]w)*8 w.)  
Q@7-UIV|q  
使用参数耦合来设置系统 Hl@)j   
n'dxa<F2|  
自由参数： qTG
Ei  
 反射镜1后y方向的光束半径 3jH8pO^  
 反射镜2后的光束半径 R0 g
-  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） )$h<9
e  
 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。 ;bC163[  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 s'4S,  
6$d3Ap@Gl  
pi'w40!:  
FIB 9W@oao  
uk8vecj  
ZTq"SQ>ym  
自由参数： 9c/&+j  
 反射镜1后y方向的光束半径 8T}Ycm5}  
 反射镜2后的光束半径 L_3undy,  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） {5ujKQOcR  
 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。 DOr()X  
%:^|Q;xe  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 ;:w?&4  
{"cS:u  
UR/lM,N;  
结果：使用GFT+进行光束整形 Anpx%NVo  
^>g7Kg"0  
J9tQ@3{f  
fgb%SIi?  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ]cz*k/*0  
n1X.]|6'  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 kW'xuZ&  
uC_&?  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 FfDe&/,/  
 X,zqI  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： -Qs4s  
1NP(3yt%  
*3S./C}  
M_o<6C  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 1>JUI5 {  
LK "47  
结果：评估光束参数 5LT{]&`9  
G8m:]!  
 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。 _L?`C  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 PMDx5-{A/t  
QzjLKjl7p4  
m=Z1DJG  
 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。 ~*Fbs! ;,  
 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） ?a8 o.&`l  
|<,!K;@  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd rt\i@}  
-y8?"WB(b  
光束质量优化 =:T pH>f*  
sqAZjfy@  
 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。 YTiXUOj  
 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）。 P= e3f(M2  
V!eq)L  
结果：光束质量优化 ,S|v>i,@  
>x(3p@6p  
 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。 w7.I0)MH  
e 1W9Z $m  
v&[Ff|>  
O-rHfIxY  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） R$'0<y8E*]  
&zl=}xeA  
"=7y6bM  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd )qGw!^8  
t)Iu\bP  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 <NV[8B#k]  
+w~<2Kt8  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 gZ!vRO<%  
kPN:m ow  
 这意味着参数变化是的正态 aP}kl[W  
g\ r%A  
/8Sg<  
   {q9[0-LyJ  
 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。 7J~usF>A  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 Ap&Bwo 8b  
!/+'O}@-E  
PZVh)6f"c  
!J3dlUFRO  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run Tw:j}ERq  
W^}fAcQKH  
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） }O_kbPNw  
\,YF['Qq  
o6JCy\Bx  
n H)6mOYp  
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。 X.u&4SH  
V%F^6ds$]0  
总结 o!q3+Pp;}  
U)Cv_qe  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ]a4rA+NFLB  
1.模拟 |@{4zoP_N  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 w+QXSa_D  
2.研究 .>4Zt'gCt  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 D%L}vugxK  
3.优化 ('H[[YODh  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 jV83%%e  
4.分析 HAq  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 'CE3 |x\%K  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 f+#^Lngo  
`Sh#> Jp  
参考文献 Wn61;kV_)  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). T%GdvtmS>  
vM_UF{a$=  
进一步阅读 FsZW,  
ya[][!.G  
进一步阅读  V6opV&  
 获得入门视频 } 0su[gy[  
- 介绍光路图 =og5Mh,  
- 介绍参数运行 JmHEYPt0  
 关于案例的文档 [PVem  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens `zQ2i}Uju  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens U^
bF}4m  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing A~MAaw!YE  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair

学习了

讲的很详细

很棒 学习一下！

非常有用，谢谢！

学习一下。