[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） rPLm5ni  
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 2[O&NdP\Zk  
6sx'S?Qa*  
]dGw2y  
简述案例 I uMQ9&  
Wp!%-vzy&  
系统详情 8T!+ZQAz  
 光源 B1>/5hV}  
- 强象散VIS激光二极管 !`,Sfqij  
 元件 g" .are'7  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） IDB+%xl#S  
- 具有高斯振幅调制的光阑 pEIRh1  
 探测器 O$&mFL[`  
- 光线可视化（3D显示） d(:8M  
- 波前差探测 JNt^ (z  
- 场分布和相位计算 ->y J5smtY  
- 光束参数（M2值，发散角） ^h~x)@=  
 模拟/设计 )ttUWy$w  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 UBaAx21x  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： B&[M7i  
 分析和优化整形光束质量 7BK0}sxO  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ->g*</  
L
Wz&YF#T-  
系统说明 ,!Z
*5  
V-Sd[  
w[S pw<Z  
模拟和设计结果 ^Eb.:}!D6  
YW_Q\|p]M  
数值探测器结果 :y%/u%L  
D6>2s\:>vp  
@|63K)Xy  
R`DKu=  
HkUWehVm  
总结 MGR!Z@1y  
PT=2@kH  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 +;N2p1ZBf  
1.模拟 uW@oyZ

Uj  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 j.w@
(<=x  
2.评估 Sa?ksD2IaB  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 Li/O  
3.优化 _wkVwPr  
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。 :Q $K<)[  
4.分析 K]s[5  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 TMlP*d#  
Q<^Tl(`/N?  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 }z _  
b[t>te  
详述案例 % NA9{<I  
ftvG\Tf  
系统参数 K?B{rE Lp  
OjJXysslXO  
案例的内容和目标 86 W9rR  
]h* c,.  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 5iz{op<$,  
#{?PbBE}  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 u frW\X  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 7n8~K3~;  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 4C<jdv_J  
OGde00  
模拟任务：反射光束整形设置 s>;v!^N?u  
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。 h]+C.Eqnt#  
`k[-M2[  
8+a
4>8[M  
AsAT_yv#  
Cjqklb/  
D
oJ\ q+  
规格：像散激光光束 F(k.,0Nc  
U3T#6Rptl  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 z=rT%lz6  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 Ir`eL  
kbTm^y"  
|Y$uqRdV  
{ /K.3  
R< ,`[*Z  
?t/~lv  
规格：柱形抛物面反射镜 R:e<W/P"  
                         2z6yn?'&L  
 有抛物面曲率的圆柱镜 *BR~}1 i  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 6-yd]("  
 曲率半径等于焦距的两倍 uw[<5  
//T>G_1  
0f

b`08,^  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） N^HUijw<  
GN ]cDik  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Ss~;m']68  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） QrB@cK]  
 离轴角决定了截切区域 y4t7`-,~  
@
hJ
%@(  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 4wID]bKM  
xC*6vH]?  
   w[9|cgCY  
'MEz|Z  
光束整形装置的光路图 c_
-drS  
0y 7"SiFY  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 3HLNCt09  
 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。 5b!vgm#])  
+W:=e,=  
反射光束整形系统的3D视图 =NnNN'}  
lJu;O/  
D2](da:]8)  
OK{quM5  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 *of3:w  
 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）。 @6{~05.p  
(@%gS[]  
详述案例 RA KFU  
:p]'32FA!  
模拟和结果 M,/mE~  
u=/{cOJI6  
结果：3D系统光线扫描分析 (yF:6$:#  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 K8>zF/# +  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ^cczJOxB  
k 8UO9r[  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd wF|fK4F  
Gl
iwY_  
使用参数耦合来设置系统 h3bff#<K  
O-LO/*5MI  
自由参数： 5]n[]FW  
 反射镜1后y方向的光束半径 ebT:/wu,2  
 反射镜2后的光束半径 @!`Xl*l  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） k`0>36  
 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。 EQf[,  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 M[6
:p2u  

p3 w  
|&FkksNAl\  
R
LbKD>  
?YZ- P{rTS  
`Jzp Sw  
自由参数： lTd #bN  
 反射镜1后y方向的光束半径 &;+-?k|  
 反射镜2后的光束半径  c|M6<}  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Z?%zgqTXb  
 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。 D@Vt^_  
a#>Yh;FA  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 qOSM}ei>s  
fjU8gV  
\De{9v  
结果：使用GFT+进行光束整形 nq6@6GRG  
9\/xOwR  
b]x4o#t  
pgOQIzu  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 $e*ce94  
l y(>8F  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 "tB;^jhRs  
F)W:  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 qMLD)rL  
$4/yZaVb  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： my}
-s  
;j^H)."A\  
Jh ]i]7r  
G5CI<KRK#  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd [/Rf\T(,jn  
,6om\9.E@  
结果：评估光束参数 C}_ ojcR  
ynE)Xdh  
 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。 Q aS\(_  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 MOn  
[N/"5 [  
P/Q!<I  
 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。 P*I}yPeb  
 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） Cn "s
` q  
4scNSeW  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd >[_f3;P  
\3pc"^W  
光束质量优化 FQqI<6;  
eD*A)  
 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。 MM(xk  
 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）。 )pq;*~IBI  
T[j#M+p  
结果：光束质量优化 MP!d4  
vSi.t
xV2  
 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。 Q$="_y2cTA  
" N9 <wU  
(=* cK-3  
B2C$N0R#  
 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。） J2'Nd'  
`/EGyN6X  
+f@U6Vv  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd P] UJ0b  
Mf&{7%  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 z7Q?D^miy  
L#+q]j+  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 SjwyLc  
LIZRoG8  
 这意味着参数变化是的正态 ?TU}~}  
`C$:Yf]%nG  
;#oie< Vit  
   f"qga/  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 aC%m-m  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 y0'R
mk,  
N4L|;?  
E ,|xJjh  
dIRm q+d^  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 1:f9J  
1n:8s'\  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） S$Q8>u6Wk  
}Ub6eXf(2  
6P5Ih  
oAPb*;}  
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。 J|w\@inQ  
YwZ Z{+n  
总结 =gJb^ Gx(w  
K)Q]a30  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 d*~ICir7  
1.模拟 ]cGA~d  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 z#]Jv!~EPE  
2.研究 ]8f ms(  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 5ZMR,SZhC  
3.优化 uWM{JEOl  
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。 p' +  
4.分析 BPdfYu,il  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 ~ ; -! n;  
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。 YEj8S5"Su\  
}RwSp!}C  
参考文献 V??dYB(  
[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). Kd=%tNp  
{ Fawt:  
进一步阅读 TW[_Ko86  
$ep.-I>  
进一步阅读 l&?}hq^'Dn  
 获得入门视频 jz5qQt]^  
- 介绍光路图 GQ9\'z#+  
- 介绍参数运行 wYQ&C{D%  
 关于案例的文档 .8P.)%  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens Er+nk`UR_  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens Kwg4sr5"D  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing s;64N'
HH  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair

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