[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） ^AShy`o^X  
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 .l hS
 
BoQ%QV69%  
UGlHe7  
简述案例 VP~(;H5%  
6g\hQ\+Z}  
系统详情 a)4%sX
*I  
 光源 cV"Ov@_.k  
- 强象散VIS激光二极管 .p]rS =#  
 元件 Uqz.Q\A  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） H+562W  
- 具有高斯振幅调制的光阑 F @<h:VVP  
 探测器 2">de/jS  
- 光线可视化（3D显示） OTGy[jY"  
- 波前差探测 <$@I*xk[  
- 场分布和相位计算 :.tL~% q  
- 光束参数（M2值，发散角） p>O/H1US;  
 模拟/设计 o*artMkG  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 %-]a[qf3  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： oY5`r)C7  
 分析和优化整形光束质量 7]zZdqG&p`  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 aMY@**^v  
2{63:f1c`'  
系统说明 "W%YsN0  
r4X}U|s!0  
lMGO4U[z  
模拟和设计结果 Fy Ih\  
EUuSN| a  
数值探测器结果 FUI*nkZY  
^gvTc+|  
}8
Y! -qX  
N=<`|I  
I
oLi7NKw  
总结 ^wd@mWxx  
sb{K%xi%  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 z80P5^9  
1.模拟 d7vPZ_j^z  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 4-x<^ ev=  
2.评估 8.B'O>\T  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 cZ:jht  
3.优化 %5gdLm!p  
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。 j@z IJ  
4.分析 Mww^  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 vnvpb! @Q  
$YEm(:v$  
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。 lEFd^@t  
]5f;Kz)  
详述案例 [cd1Mf:[Y  
1$vGQ  
系统参数 r9_ ON|  
]E<Z5G1HD  
案例的内容和目标 ,7&\jET5^0  
ZgxB7zl//  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 >[;@ [4}  
~hvj3zC5xz  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 baII!ks  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 |z=`Ur@)  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 /#Aw7F$Ey  
Jf
N5#+_i  
模拟任务：反射光束整形设置 CXuD%H]tx  
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。 /Pg)7Zn  
uxU-N  
[_)`G*X(N  
~o^|>]  
 Ol }5ry  
k=mQG~  
规格：像散激光光束 J.1c,@  
TI7$
J#  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 %`&n ;K.c  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 !+PrgIp>  
Vpnk>GWD  
LBy`N_@  
Zt3sU_  
M#'7hm6  

_'!?fA  
规格：柱形抛物面反射镜  +x 3x  
                         /(BS<A  
 有抛物面曲率的圆柱镜 :.+w'SEn4M  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 eVfD&&@  
 曲率半径等于焦距的两倍 );.$`0  
':4<[Vk  
~JL
qh  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） D",L.  
M
T>sRx#  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 9!n:hhJM  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） pWRdI_  
 离轴角决定了截切区域 }+KM"+@$<  
4@0aN6Os  
规格：参数概述（12° x 46°光束） ]20:8l'  
*LB-V%{|'  
   daKZ*B|  
ED>7  
光束整形装置的光路图 {A0F/#M]  
#g6_)B=S  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 m
=6?%' H}  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 ; pBLmm*F  
XE2Un1i}j1  
反射光束整形系统的3D视图 |Gz<I  
F`:Q  
UmVn:a  
j_rO_m<8  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 0OHXg=  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 D=a*Xu2zq  
P}Ig6^[m\  
详述案例 g&g:HH:  
viG=Ap.Th  
模拟和结果 W@AHE?s6g  
h/\v+xiF  
结果：3D系统光线扫描分析 pA.orx  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ^N<aHFF  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 (>0`e8v!  
wetu.aMp  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd lD$s, hp  
|2^mCL.r  
使用参数耦合来设置系统 Gk
5'|s  
hD5@PeLh  
自由参数： K;"H$0!9  
 反射镜1后y方向的光束半径 ']2Vf]dB  
 反射镜2后的光束半径 X]}ai5  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） <o()14  
 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。 85# 3|5n  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 ph6/+[:  
=~O3j:<6  
&;ddnxFI  
-btNwE6[.  
15{^
waR6  
s&ox%L4  
自由参数： v>K|hH  
 反射镜1后y方向的光束半径 L?u{vX  
 反射镜2后的光束半径 |h $Gs2  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Ia](CN*;6  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 DH\Ox>b=  
]rGd!"q  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 lJAzG,f  
Q%aF~  
A
&1EOQ=N  
结果：使用GFT+进行光束整形 EO+Ix7w  
FiQ&g*=|  
6'
*6tS  
f
AStM:  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 a'`i#U  
z]g#2xD2  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 [uqr  
xy>$^/[$  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 rs4:jS
$)  
TCzz]?G]la  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： w:B&8I(n}w  
;Uch  
 @B{  
GAH<  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Y]R=z*i%  
r8R7@S2V'  
结果：评估光束参数 UV%o&tv|<  
5D3&E_S  
 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:>`|~M
X  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 )`k+Oyvi<  
T:Q+ Z }v+  
Fc=F2Mo?  
 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。 iU0jv7}n  
 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） B7A.~'=  
jY9tq[~/  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd i]zh8|">  
^38kxwh  
光束质量优化 cJT_Qfxx  
8fvKVS  
 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。 r_ 9"^Er  
 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）。 !b
K;/)  
MAqETjB  
结果：光束质量优化 p^{yA"MQ  
N<(rP1)`v  
 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。 YedF%  
4u p7:?  
lh0G/8+C  
?~^p:T  
 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。） %,N-M]Jf  
KPK`C0mg@k  
z,qNuv"W  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd DS|x*w'I  
pdQaVe7tRo  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 2Sy:wt  
f:t5`c.  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 >&Ye(3w&  
E
xi#@-  
 这意味着参数变化是的正态 T/L\|_:'  
@ bvWqMa  
) \cnz  
   UBwYwm0  
 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。 4mGRk)hk:>  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 \>/AF<2"  
h1j1PRE  
Q>=/u-  
i[U=-4 J  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run huin?,eGz  
9mv6  
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） gcM(K.n  
o5z&sRZ  
s;[64ca]Q  
>vf
LlYx  
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。 wzI*QXV2s  
9Xh<vh8&  
总结 YBk* CW9  
{6*UtG  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 {>&M:_`k  
1.模拟 z\IZ
5'  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 \y/0)NL\  
2.研究 7sJGB^vM  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 s[*I210  
3.优化 y*sqnzgF  
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。 n22OPvp  
4.分析 `\-mqe  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 ;xE1#ZT  
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。 HtI>rj/\ x  
H,1Iz@W1  
参考文献 |VX0o2  
[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). "CT`]:GGK  
Z5

>}  
进一步阅读 #mv~1tL  
ViG-tb  
进一步阅读 FiNB$A  
 获得入门视频 D|5Fo'O^AV  
- 介绍光路图 EG!):P  
- 介绍参数运行 cNuBWLG  
 关于案例的文档 ^d/,9L\U  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens }D#[yE,=\  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens hrnY0  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing oO,"B8a  
- 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。