[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） n-hvh-ZO  
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 NlF0\+h  
ckf<N9  
eg2U+g4  
简述案例 &>W (l.  
y^d[( c  
系统详情 z;y^t4 ^9  
 光源 (aJP: ^  
- 强象散VIS激光二极管 rQcRjh+E H  
 元件 .|-l+  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 5oU`[&=Ob  
- 具有高斯振幅调制的光阑 \]T=j#.S$  
 探测器 *gd?>P7\0  
- 光线可视化（3D显示） crJ7pe9  
- 波前差探测 #*Yi4Cn<  
- 场分布和相位计算 U/X|i /  
- 光束参数（M2值，发散角） M[YTk=IM#  
 模拟/设计 JO2ZS6k[  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 =f4[=C$&`  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： ':4}O#  
 分析和优化整形光束质量 cBLR#Yu;O5  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ceFsGdS  
[lNqT1%]  
系统说明 K\IYx|Hm a  
&Y54QE".  
_{LN{iqDv  
模拟和设计结果 %@}o'=[  
)-+\M_JK5  
数值探测器结果 9Fy\t{ks  
nT.L}1@  
W.,% 0cZ  
1R=)17'O  
=tr1*s{  
总结 `z|
=~  
bZNIxkc[Dh  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 {OB-J\7Y  
1.模拟 2;r]gT~  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 1Pk mg%+  
2.评估 4S,.R  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 r]A"Og_U  
3.优化 lLuID  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 Y{B9`Z  
4.分析 (^sh  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 \Fj5v$J-  
"?apgx 6  
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。 9=t#5J#O  
3iE
-6udCS  
详述案例 $ A-+E\vQ@  
_W)`cr  
系统参数 +kjzn]}f  
(k%GY< bP  
案例的内容和目标 hi!L\yi  
:GU,EDps  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 j?EskT6  
.z=U= _e  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 duX0Mc.0P  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 aSc{Ft/O  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 q=|R
89  
$o]r]#B+  
模拟任务：反射光束整形设置 7#QLtU  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 IQ ){(Y  
v#  
YiD-F7hf.*  
_p\629`  
z0#-)AeS  
-x{dc7y2  
规格：像散激光光束 0y)}.'  
e# t3u_  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 U
1OFDXHG  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 R)ERxz#  
kr%2w  
Y
4d3n  
>D 97c|?c  
YRPm^kW  
K*
~]fy  
规格：柱形抛物面反射镜 lWW+5  
                         [`d$X^<y;  
 有抛物面曲率的圆柱镜 Jlp<koy  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 >*IN  
 曲率半径等于焦距的两倍 ~ |6dH  
WvujcmOf  
 >1A*MP4  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 2K;#Evn'j  
)l_@t(_  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 O`WIkBV!  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） X 7=fX~s  
 离轴角决定了截切区域 Cezh l  
(:5G#?6,  
规格：参数概述（12° x 46°光束） ^(ScgoXva  
2R]&v;A  
   -_NC%iN#C  
f;gZ|a  
光束整形装置的光路图 6xoq;=o  
%JtbRs(~q  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 .e@> 
 
 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。 QYQtMb,  
K%MW6y  
反射光束整形系统的3D视图 b
tH _HE
 
scW'AJJq  
M`vyTuO3SO  
\ p4*$  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 %r;w;`/hA  
 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）。 nBN&.+3t  

[$\z'}  
详述案例 z%1{  
+
Ng0WS_0  
模拟和结果 P}V=*g
  
|ETiLR=&  
结果：3D系统光线扫描分析 mf' ]O,  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ,LZX@'5  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 XX6 T$pA6  
!"Q}R p  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd fj>C@p  
I;7nb4]AmF  
使用参数耦合来设置系统 w\w(U  
:m'+tGs  
自由参数： B&Y_2)v  
 反射镜1后y方向的光束半径 \'Z<P,8~  
 反射镜2后的光束半径 f?56=& pHY  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Q6 ?z_0  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 <YFY{VC(  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 mM
/i^zT  
aRJcSV  
LZ U$  
W0XF~  
Kmz7c|  
FJNF%a)x2I  
自由参数： PXz
T6)  
 反射镜1后y方向的光束半径 T[?6[,.  
 反射镜2后的光束半径 _q?<at}y  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） pFsc}R/0/8  
 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。 M
+`Hg_#Q  
tNIlzR-  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 i)ASsYG!  
2+o|A  
1tMQqI`N  
结果：使用GFT+进行光束整形 U__(; /1;  
G{9X)|d  
_:`!DIz~9}  
8K9$,Ii  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 tMp=-"  
c+dg_*^  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 ?!VIS>C(  
Pw0Ci  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 =~KsS}`1,  
FG@-bV  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： &o3K%M;C?  
!? 5U|  
,`A?!.K$  
KvPX=/&Zu  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd a`(a)9i  
p4K.NdUH  
结果：评估光束参数 5S{7En~zUE  
s;flzp8  
 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。 ~z5R{;Nbz|  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 ]rN5Ao}2  
C1EtoOv K  
TXXy\$  
 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。 6 sxffJt  
 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） qU6nJi+-I  
_c$9eAe  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd x35cW7R}T_  
L I>(RMv  
光束质量优化 ;a{:%t  
NS)}6OI3~"  
 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。 $_H`   
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 G~7 i@Zs  
._9 n~=!  
结果：光束质量优化 sbj(|1,ac  
aVL=K  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。 YXurYwV  
Mb1t:Xf^g  
`+:.L>5([  
ig LMv+{  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） ^ci3F<?Q=  
_p-t<ytnh  
K$K^=>I"o  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 4MuO1W-  
S [h];eM  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 !+)AeDc:j  
h:z
K(;  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 ^.k |SK`U  
dz [!-M  
 这意味着参数变化是的正态 OA/WtQ5  
~=<}\a~  
mkh"Kb*{  
   =0;}K@(J  
 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。 (/-hu[:  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 *KY=\ %D  
P}ok*{"J<>  
Y{v(p7pl  
9Y>8=#.c  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run Y HSYu  
7QKr_  
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） 8d*/HF)h  
5zFR7/p{  
"H-"  
wn_b[tdxq  
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。 #P]#9Ty:  
>9RD_QG7  
总结 Q+b D}emd  
LK6; ?m  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 )o-Q!<*1  
1.模拟 wC `+  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 I$E.s*B9  
2.研究 b@3_L4~  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 pfu1O6R  
3.优化 JpsPNa  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 ~4P%%b0,o  
4.分析 I;VuW  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 dq[Mj5eC  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 =@k%&* Y?  
AU-n&uX  
参考文献 2z\zh[(w  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). [mEql,x3  
kJWN.  
进一步阅读 x.8TRMk^  
E0`Lg c  
进一步阅读 Z2im@c67{  
 获得入门视频 *@d&5  
- 介绍光路图 rx(2
yf  
- 介绍参数运行 *tm0R>?!  
 关于案例的文档 Y0D}g3`  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens PJcwH6m  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens r$]HIvJD  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing DW)2 m;  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair

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