[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） |uH%6&\  
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 `:G%  
5Y3i|cj  
lRP1&FH0  
简述案例 1]T`n/d V  
U#o'H @  
系统详情 M}hrO-C
 
 光源 g3%t8O/M  
- 强象散VIS激光二极管 -gz0md|Y  
 元件 JkA|Qdj~Mr  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） z
K+52jhi  
- 具有高斯振幅调制的光阑 m2Uc>S  
 探测器 %AnW~v  
- 光线可视化（3D显示） -)y%~Zn  
- 波前差探测 Pu>N_^ C  
- 场分布和相位计算 H2-28XG
c  
- 光束参数（M2值，发散角） r CRgzC  
 模拟/设计 O8N[Jl  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ~H}en6Rc  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： m!OMrZ%)}  
 分析和优化整形光束质量 @)8]e S7  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 k,Zm GllQ]  
,goBq3[%?  
系统说明 r++i=SQax  
~mN%(w!^  
~-F?Mc  
模拟和设计结果 fj'j
NE  
cub<G!K  
数值探测器结果 i3 )xX@3  
-&[z\"T  
}o9Aa0$*$  
ZZ)G5ji  
IdM*5Y>f  
总结 " B@jfa%  
5`E))?*"Pe  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 YbMssd2Yg  
1.模拟 hQ
gN9S5P  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 H"+c)FGi  
2.评估 fV ZW[9[  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 QlW=_Ymv{  
3.优化 <5Mrp"C[i  
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。 i.rU&yT%  
4.分析 M'1HA  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 nb@"?<L!  
G"S5ki`o  
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。 
&(&  
;
>2#@QP  
详述案例 En9R>A;`  
amB@N6*  
系统参数 $ehg@WK}.  
"'eWn6O(  
案例的内容和目标 r7)@M%A  
cINHH !v  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 PX3  
.T3=Eq&"W  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 =wA5P@  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 ?TuI:dC  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ^&:'NR  
M g!ra"  
模拟任务：反射光束整形设置 %N~;{!![p  
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。 c d%h
W  
Gm&2R4)EP  
xtJAMo>g  
}~*rx7p  
w4:
<fnOM  
 0:d
B 9  
规格：像散激光光束 Tj,2r]g`<  
z Z%/W)t  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 G6Q4-kcK  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 5a$$95oL  
IH3FK!>6  
`45d"B I  
&`PbO  
g
Na#|  
>RR<eYu7m  
规格：柱形抛物面反射镜 YZ[%uArm  
                         Jn,w)Els  
 有抛物面曲率的圆柱镜 @Qo,p  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 n|]N7 b'  
 曲率半径等于焦距的两倍 4!2SS  
+(AwSh!  
.!j#3J..u  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） tQ0=p| T]  
&PWf:y{R`  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 |+/$ g.  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ;xW{Ehq-h  
 离轴角决定了截切区域 Fd"WlBYy0  
aL$j/SC  
规格：参数概述（12° x 46°光束） ype"7p\  
hgj0tIi/  
   w)<4>(D  
S&|VkZR)  
光束整形装置的光路图 Y\>\[*.v  
]n1D1  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 GG>Y/;^  
 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。 TA9dkYlE/  
7NUenCdc  
反射光束整形系统的3D视图 f<=^ 4a  
G,/Gq+WX  
9rWLE6`  
;.r2$/E  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 1G_xP^
H!  
 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）。 I tgH>L'  
2q|_Dma  
详述案例 \ >(zunL  
ujNt(7Cz  
模拟和结果 S r[IoF)  
o5V`'[c  
结果：3D系统光线扫描分析 iGyVG41U  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 j>V"hf  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 AYYRxhv_,  
Cd9t{pQD4  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd _AAx )  
)PHl>0i!  
使用参数耦合来设置系统 ],$6&Cm  
|H<|{{E  
自由参数： Rgs3A)[`d/  
 反射镜1后y方向的光束半径 \cFAxL(  
 反射镜2后的光束半径 &F86SrsI  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 4=UI3 2v3  
 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。 @#1cx  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 `GP3D~  
vFR 1UP
F  
gnYnL8l`J  
fyGCfM  
cy9N:MR(c  
UVnrDhd!0  
自由参数： Sq.9-h%5  
 反射镜1后y方向的光束半径 ^v#+PyW  
 反射镜2后的光束半径 Lq3(Z%  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） V5cb}xx  
 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。 %~ ;nlDw  
,7QBJ_-;QJ  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 @_G` Ok4  
@ 8A{ 9i  

g2!0vB>  
结果：使用GFT+进行光束整形 yo'q[YtP'  
v4X_v!CQ  
Cb+P7[X-  
cF-Jc}h  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 b;SFI^  
X9p+a,  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 gCjH%=s  
L;L2j&i%v)  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 4+BrTGp  
ux)<&p.  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： IJ+O),'  
5R$=^gE  
ftDVxKDE?S  
s$IcDuBu  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Iwnj'R7:  
l!xgtP K  
结果：评估光束参数 C!CaGf=  
O8!!UA8V  
 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。 TG""eC!E  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 *g}vT8w'}  
Ir'DA_..  
c%o5E%  
 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。 _Y}^%eFw  
 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） 1c1e+H  
9aW8wYL~b  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd ;igEIGR  
(!^N~ =e;  
光束质量优化 "j*fVn  
tyBg7dP  
 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。 m-Mhf;  
 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）。 ^XjvJa  
C?_t8G./_  
结果：光束质量优化 U"jUMOMZ;  
853]CK<  
 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。 n^g-
`  
N^nDWK  
BxW||O|_N"  
0TuNA\Ug+  
 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。） 7`j|tb-  
_rWTw+ L  
*,Aa9wa{  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ur,V>J<5A  
2n"*)3Qj  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 [kU[}FT  
[qc6Q:  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 J:M<9
W  
x<)!$cg  
 这意味着参数变化是的正态 #UP,;W  
4cv|ok8P  
F~11 _  
   RQ_#rYmT  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 r' 97\|  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 'PxL^  
0^|$cvYiL  
cqU$gKT  
}&'yt97+  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 7D9h;gsP  
{#d
`&]  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） [{Klv&>_/  
MXu+I,y*  
k-t,y|N  
6.(]}?g1f  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 b_"V%
<I  
8?]%Qi  
总结 cmC&s'/8`D  
hPX2 Bp  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 rUJSzLy  
1.模拟 d&3I>E$UP  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Vo58Nz:%  
2.研究 RM/ s:  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 Phjf$\pt  
3.优化 lj%;d'  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 !{|yAt9kP  
4.分析 2oNPR+ -  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 q@=#`746e  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 O,z%7><  
Yru1@/;  
参考文献 s
C'A_-'  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). 2*cKFv{  
8Gzs  
进一步阅读 'e
8d["N  
>G-?e!  
进一步阅读 ::h02,y;1%  
 获得入门视频 Wg3WE1V  
- 介绍光路图 YfYL?G  
- 介绍参数运行 ~(L<uFU V  
 关于案例的文档 rea}Uq+po  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens OW5|oG  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens j$/uJ`  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing #'{PYr  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair

学习了

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非常有用，谢谢！

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