[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） oObQN;A@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 =Js
wd  
Em(Okr,0  
ogJ *  
简述案例 ;Swy5z0=ro  
ba^/Ar(B  
系统详情 |g1Pr9{wy  
 光源 9s?gI4XN  
- 强象散VIS激光二极管 M"yOWD~s~  
 元件 v[O?7Np  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） |v_ttJ;+Y  
- 具有高斯振幅调制的光阑 a&u!KAQ  
 探测器 JthU'"K  
- 光线可视化（3D显示）  vPAL,  
- 波前差探测 6xx(o  
- 场分布和相位计算 f9vitFkb+  
- 光束参数（M2值，发散角） e'.CIspN  
 模拟/设计 */4hFD {  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 $4hi D;n  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： Ru4M7%  
 分析和优化整形光束质量 co-1r/ -O  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 V,]Fh5f  
\=Od1i  
系统说明 0bteI*L  
S84S/y  
jtgj h\Nt  
模拟和设计结果 0 gR_1~3  
Y~@(  
数值探测器结果 (,b\"Q  
xXSfYW  
v7,-Q*
 
gyxC)br  
uw(Ml=  
总结 zF(abQ0  
25<qo{  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 "^wIixOH5  
1.模拟 h=^UMat-  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 2a*+mw  
2.评估 o>|DT(Ib  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 FsS.9 `B  
3.优化 uZ'(fn
Z$  
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。 &joP-!"  
4.分析 OxUc,%e9P  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 p-
H}NQ\  
9+ |W;  
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。 NDJP`FI  
^ 4*#QtO  
详述案例 uzhTNf  
stiYC#bI:  
系统参数 $LiBJ~vV<  
M>xT\  
案例的内容和目标 IkO[R1K  
Dw$RHogb~y  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 NMUF)ksjN  
Q{CRy-h
a  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 =sF4H_B  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 >=;hnLu  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 Q\N
>W+d  
g |H  
模拟任务：反射光束整形设置 ~y"OyOi&  
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。 ZrB(!L~7  
f?> ?jf  
I'[;E.KU  
iJ @p:  
HE>V\+ AL  
_9q byhS7  
规格：像散激光光束 2/\I/QkTs  
sE ^YOT<  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 KtArV  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 l dp$jrNLr  
=woP~+  
/F6"uZSt4  
;aD?BD__Z  
\S&OAe/b  
RxNLn/?d@  
规格：柱形抛物面反射镜 Cq'{%  
                         F{rC{5@fj  
 有抛物面曲率的圆柱镜 o-JB,^TE  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 Rt5pl,Nf  
 曲率半径等于焦距的两倍 eu":\ks  
<":83RCS  
8kvA^r`  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） fxmY,{{  
6ND*L
0  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 1Zi` \N4T  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） @!}/$[hu1  
 离轴角决定了截切区域 c *<m.  
@"wX#ot  
规格：参数概述（12° x 46°光束） <4~SFTWY  
P&<NcOCL&  
   {u-J?(s}  
Z  
光束整形装置的光路图 lCBH3-0^  
e/#6qCE  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 U"oHPK3"TA  
 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。 Y88N*axDW.  
ii>^]iT  
反射光束整形系统的3D视图 yE(<F2  
p"- %~%J=  
] SLeWs  
yu&muCA  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 s^4wn:*$zd  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 d|)ARRW  
(44L8)I.D  
详述案例 ]w0Y5H "  
BPm")DMo  
模拟和结果 +XW1,ly~  
(`4&Y-  
结果：3D系统光线扫描分析 E7hs+Mh  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 >AY9F|:  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 qnnRS  
i_QiE2d  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd "]Uj _d  
~)[pL(4  
使用参数耦合来设置系统 y>#kT  
og~a*my3  
自由参数： G l2WbY  
 反射镜1后y方向的光束半径 e@S$[,8  
 反射镜2后的光束半径 !&3"($-U3G  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） b\zq,0%  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 7i'clB9!  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 }Kp$/CYd  
Sa0IRC<LV  
*5?Qam3  
5|>ms)[RQ  
uEG4^  
Gpcordt/  
自由参数： )EQI>1_  
 反射镜1后y方向的光束半径 (w\|yPBB  
 反射镜2后的光束半径 E:
+r.r"Y  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 9ZR"Lo>3e+  
 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。 Qh6vH9(D  
-N5h`Ii7  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 >Z
<ZT  
o?~27   
X+<9-]=  
结果：使用GFT+进行光束整形 -[pfLo  
~l.C
-  
p!)tA  
RlU?F  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 L<XX?I\p  
Ey%[t  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 lbw+!{Ch  
u$aN~6HG  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 gB+CM? LKq  
i_+e&Bjd4j  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： Z=;=9<vA  
Ux{QYjFE  
4>fj@X(3  
(~! @Uz5  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 6 b?K-)kL  
T+rym8.p  
结果：评估光束参数 nD>X?yz2  
k`]76C7  
 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。 zlTLp-^Y  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 N~or
.i&a  
w^n&S=E E~  
AW9%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。 !vc5NKv#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） $Fy~xMA8O  
pU,\ &3N  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd $P#+Y,r~\  
\$t{K  
光束质量优化 9$VdYw7D  
-e
m3 #V  
 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。 b j<T`M!  
 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）。 7~ZG"^k  
eb,QT\/G  
结果：光束质量优化 QJ>=a./  
Wf%)::G*uR  
 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。 +9')G-`qj  
D62'bFB^  
a8%T*mk(  
K@!hrye  
 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。） glKPjL*  
N[O_}_  
<S;YNHLC  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd h"}F3E  
}v?l0Gk(  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 Z3ODZfu>  
3O2vY1Y2  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 IBNb!mPu%  
4"{g{8  
 这意味着参数变化是的正态 (5[#?_~  
 x}d5Y  
8 ?:W{GAo  
   5"q{b1  
 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。 _n4`mL8>kH  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 !ueh%V Ky  
M$f_I +  
V2tA!II-s  
ilQ\
+xR{b  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ]x3 )OjH  
,pkzNe`F  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） @e7_&EGR?  
6+PP(>em  
(.{."  
"e29j'u!*  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 m^)\P?M5|  
6jl{^dI  
总结 Q-U,1b  
3z8zZ1uzU  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 *1>Tc,mb  
1.模拟 YsO`1D  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 PM {L}tEQ  
2.研究 ~ r$I&8  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 MUN:}S  
3.优化 >4#\ U!  
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。 otP2qAI  
4.分析 )*o) iN 7l  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 :4COPUBpPV  
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。 Ja@?.gW  
DFGgyFay  
参考文献 icK U)  
[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). rj5)b:c}  
!W=2ZlzS
 
进一步阅读 Me;Nn$'%  
ab6D&  
进一步阅读 2b:I.  
 获得入门视频 mj y+_  
- 介绍光路图 gJzS,g1]  
- 介绍参数运行 0E&XD&D  
 关于案例的文档 !}xRwkN  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens CR|>?9V  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens D,uT#P  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing gti=GmL(L  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair

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