[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） FD}>}fLv  
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 .]Z,O>N
 
.LNqU#a  
L G9#D  
简述案例 II_MY#0X  
*$>$O%  
系统详情 Y'%_--  
 光源 o=(>#iVM  
- 强象散VIS激光二极管 O4 Y;  
 元件 6d/b*,4[  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） [h2V9>4:  
- 具有高斯振幅调制的光阑 BcoE&I?[m|  
 探测器 dzMI5fA<_  
- 光线可视化（3D显示） zphStiwIQ  
- 波前差探测 k)USLA  
- 场分布和相位计算 cl-i6[F  
- 光束参数（M2值，发散角） w@2LFDp  
 模拟/设计 ihhnB  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 !PrO~  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： %25_  
 分析和优化整形光束质量 #$%gs]  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 P.1iuZ "w  
HM1y$ej  
系统说明 O^gq\X4}  
}fs;yPl,  
$RSVN?  
模拟和设计结果 UoxF00H@!  
W.,J'  
数值探测器结果 7+u%]D!  
QX~*aqS3s8  
c#;LH5KI  
BmUzsfD  

4/U]7Y  
总结 Q<``}:y|>  
|@-WC.  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 #(*WxVE  
1.模拟 I.e'  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ~K],hi^<P  
2.评估 =-pss 47  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 z?"5="D  
3.优化 pN]Hp"v  
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。 cuk2\> Xl  
4.分析 j)IK  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 7RD` *s  
nZ7v9o9  
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。 ,em6wIq,  
$'FPst8Q<  
详述案例 ,n!xzoX_  
Yhw* `"X  
系统参数 c[y=K)<Z  
|PJW
2PN  
案例的内容和目标 )Y&De)=  
sqZHk+<%  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 $=m17GD  
JN KZ'9  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 dju&Ku  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 }Rux<=cd|  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 wD,F=O  
}lb.3fqiA  
模拟任务：反射光束整形设置 V!<#
E)-?<  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 My`%gP~%g  
t+(CAP|,  
tl^[MLQa  
0\~Zg  
>aWJ+  
Rt:PW}rFf  
规格：像散激光光束 7:j #1N[p  
gwYd4  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 M{4_BQ4$  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ]Ojt3)fB  
x+TNF>%'D  
X0$_KPn  
x/S%NySG  
vZDQ@\HrC  
Cp* n2  
规格：柱形抛物面反射镜 /(0d{  
                         y d$37G|n  
 有抛物面曲率的圆柱镜 r4lG 5d
V  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 5~X%*_[],  
 曲率半径等于焦距的两倍 :gVjBF2  
vPsX!m[#  
;i#gk%- 2  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） VV4_  
D_)vGvv3;.  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 uR%H"f  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） }00e@a  
 离轴角决定了截切区域 ,i,=LGn  
^>p [b  
规格：参数概述（12° x 46°光束） )AoFd>  
m&%b;%,J  
   4dK@UN\  
ZD{srEa/a  
光束整形装置的光路图 !T{
g& f  
v8IL[g6"  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 W Q&<QVK  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 O?WaMfS[1  
l!=WqIZ  
反射光束整形系统的3D视图 \}=b/FL=U  
bsry([N>w  
yBj)#m5!  
B# fzMaC  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 D=>^m=?0  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 3$cF)5Vf  
a=FRJQ8S  
详述案例 zOOX>3^  
k#(cZ  
模拟和结果 YM|S<  
&3f.78a  
结果：3D系统光线扫描分析 v1=X=H  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 N96BWgT  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 j#f&!&G5<&  
,
no:6&#  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd =R.9"7~2x  
VW
v0\:,G  
使用参数耦合来设置系统 DV\ei")  
eLny-.i,7  
自由参数： 2&fwr>!$  
 反射镜1后y方向的光束半径 tl5IwrF6;  
 反射镜2后的光束半径 7]j-zv  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ;NeP&)Td  
 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。 Vcq?>mH&T  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 J#DcT@  
v`BG1&/|  
QP%Fz#u`  
)
^Pvm  
I uj=d~|>  
Zbh]OCN  
自由参数： Xh"iP%  
 反射镜1后y方向的光束半径 })lT fy  
 反射镜2后的光束半径 wWU_?Dr_~  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） gj,J3x4TK/  
 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。 &;U7/?Q  
A'1AU:d  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 {7>CA'>  
O)uM&B=  
jYX9;C;J  
结果：使用GFT+进行光束整形 OX/.v?
c  
'5/}MMT  
B
kxhF  
vGwD~R  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 t=rAcyNM  
_|B&v  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 q)ql]iH  
>Ryss@o  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 BemkCj
2  
2^#UO=ct  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： d5"EvT  
aiZo{j<6  
NJf(,Mr*|  
-5v.1y=!L  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd uQ]]]Z(H'  
J%:/<uCmZ  
结果：评估光束参数 ^;$a_$|  
}FiN 7#  
 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。 +c8AbEewg  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 *;e@t4  
E(!6n= qR  
.q`H`(QM  
 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。 |8c:+8  
 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） `m3QT3B  
),Ho(%T\  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd A1QI4.K  
QrckTO  
光束质量优化 Wt9iL  
RC{Z)M{~  
 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。 aZj
ef  
 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）。 V
.Ba''E7  
%7>AcTN~  
结果：光束质量优化 kq%gY  
BU:Ecchbr  
 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。 Y3$PQwn .P  
XMEK5Z9Dd  
Cld<D5\|f+  
[j}7@Mr`\  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） |\%F(d330  
.pIR/2U\F  
:#w+?LA*  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ]LBvYjMY  
*$Lz2 ]  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 i=1 }lkq  
nl'J.dJe  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 Q6.*"`  
K 5qLBz@U  
 这意味着参数变化是的正态 JC&6q>$  
2#b<d?"  
&#-|Yh/  
   r'd:SaU+  
 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。 Q&upxE4-~  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 R] Disljq  
7.$
]f71z  
w`j*W$82
  
*"ykTqa  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run OgK
Wgvy  

/1 US,  
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） Q)G!Y (g\  
B9LSxB  
K=tx5{V
 
J&63Z  
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。 U+.PuC[3  
W1?!iE~tO  
总结 ,TF<y#wed  
abICoP1zQ  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Ehb?CnV#J  
1.模拟 $-$5ta{s  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 L2CW'Hd  
2.研究 tg7C;rJ  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 -_2Dy1  
3.优化 gb=80s0  
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。 AZxrJ2G  
4.分析 ;48P vw>g}  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 :3a&Pb*PL  
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。 ;'=VrE6  
VLh%XoQx[  
参考文献 t
7|MkX1  
[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). 9m\)\/V  
7szls71/=  
进一步阅读 >oft :7p  
[as-3&5S  
进一步阅读 d[Rb:Yw  
 获得入门视频 20rN,@2<  
- 介绍光路图 Zk]k1]u*5  
- 介绍参数运行 +"YTCzv;t  
 关于案例的文档 6Cl+KcJH  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ljup#:n  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens =cdh'"XN  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing M MAA
Ho  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair

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