[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） Q1ox<-  
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)Ep'd-w"  
V[9#+l~#  
/"~ D(bw0=  
简述案例 l>(w]  
u_kcuN\Sq  
系统详情 X?6E0/r&9  
 光源 XOOWrK7O  
- 强象散VIS激光二极管 mT]+w
i&  
 元件 j[E
8C$lW  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） '(ZJsw  
- 具有高斯振幅调制的光阑 v %?y5w  
 探测器 cZ8lRVaWW  
- 光线可视化（3D显示） 8PN/*Sa  
- 波前差探测 LwPZRE#  
- 场分布和相位计算 oAnNdo  
- 光束参数（M2值，发散角）

L#  
 模拟/设计 ,(1n(FZ  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 U,G!u=+  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： eA4dDKX+  
 分析和优化整形光束质量 ~Onj|w7  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 Fe:M'.  
_'eG  
系统说明 {J aulg  
I JPpF`  
/ 7i>0J]  
模拟和设计结果 <V
> [H7  
*.'9eC0s  
数值探测器结果 WA'&0i4  
jwP}{mi*  
th
!$R  
Z`FEB0$  
"ITC P<+  
总结 y15 MWZ  
K;n2mXYGM  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 V
XE85  
1.模拟 L&gC  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 mbf'xG
O  
2.评估 i146@<\G{P  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 &1=Je$,  
3.优化 d65fkz==A)  
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。 ?MW*`U  
4.分析 \+?>KpE,b  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 5hhiP2q  
4t C-msTf  
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。 $ 8"we  
R*"31&3le4  
详述案例 \2UtT@3|C  
a&sVcsX  
系统参数 #!A'6SgbkM  
f*Xum[  
案例的内容和目标 @yGK$<R  
fbl8:c)I  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 {Df97n%h;  
8fG$><@
 
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 \d"uR@$3mG  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 F!>92H~3G  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 .C6wsmQ  
I.4o9Z[?  
模拟任务：反射光束整形设置 iY|zv|;]=  
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。 LTn@OhC  
 (0wQ [(  
^R g=*L  
wqB 5KxO  
x4_xl .  
z: ;ZPSn  
规格：像散激光光束 YK=o[nPmK  
B-R& v8F  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 @]{+9m8G@  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 m'!smSx8  
lmsO 6=I4F  
fGwRv%$^  
/
LH# 3  
s(0S)l<  
7EfLd+
  
规格：柱形抛物面反射镜 jD<fu  
                         :jKiHeBQu?  
 有抛物面曲率的圆柱镜 7Gos-_s  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ;Dw6pmZ  
 曲率半径等于焦距的两倍 5qe6/E@  
A"Prgf eT  
u|.c?fW'3  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） #4yh-D"  
O<*l"fw3  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 \68x]q[  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） qe/|u3I<lF  
 离轴角决定了截切区域 u|G&CV#r  
nfldj33*  
规格：参数概述（12° x 46°光束） Ej[
:!L  
 9Kpzj43  
   1"hd5a  
7])cu>/  
光束整形装置的光路图 fQ[& ^S$  
Vgj&hdbd  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 Q.b<YRZ  
 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。 K3;lst>4  
I6.!0.G  
反射光束整形系统的3D视图 AZHZU
d4  
#W]
4aZ1  
@W|N1,sp  
eZck$]P(6H  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 e@`"V,i  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 US.7:S-r"  
xn&$qLB  
详述案例 en5sqKqh+  
#s}cK  
模拟和结果 2w7PwNb*32  
>l>;"R9N  
结果：3D系统光线扫描分析 4/Mi-ls_  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 NDqvt$  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 R.Uwf  
iC.k8r+~  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd W5f|#{&L:  
O} &%R:  
使用参数耦合来设置系统 ,$,c<M  
6^Q/D7U;s  
自由参数： ^p}S5,  
 反射镜1后y方向的光束半径 2VZdtz  
 反射镜2后的光束半径 }JWLm.e  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） }5nVZ;  
 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。 VJf|r#2  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 f6*6*=  
O/N@Gz[g%  
d41DcgG'j(  
l_MF9.z&  
nF)XZB0F  
q!y6K*  
自由参数： !#[=,'Y  
 反射镜1后y方向的光束半径 oRALhaI  
 反射镜2后的光束半径 ?b,x;hIO  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 7C::%OF~7  
 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。 PL}c1Ud  
C@ns`Eh8w  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 nRSiW*;R  
~x #RIt  
wr~Ydmsf  
结果：使用GFT+进行光束整形 xl]1{$1M  
"dItv#<:}  
!%lcn O  
26D,(Y$*  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 DDwj[' R  
JK/VIu&!  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 *pP&$!bH%  
YPU*T&~  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 q-lejVS(g  
knS(\51A  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差：
hh1 ?/  
"N*bV  
n{1;BW#H  
ih[!v"bv  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Mnx')([;W  
 L#>^R   
结果：评估光束参数 6A;,Ph2  
{}A1[Y|  
 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。 xaw)iC[gI{  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 hUo}n>Aa  
Al0ls  
p "Cxe  
 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。 }NgevsV>;  
 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） 9()d7Y#d/`  
v*[oe  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd )%6h9xyXt  
QO;OeMQv%  
光束质量优化 4Y/kf%]]A  
jY|fP!
?[  
 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。 7J6D wh{  
 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）。 iS@+qWo1  
}Tz<fd/  
结果：光束质量优化 u6lcl}'  
M. o}?  
 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。 a^xt9o`  
,Qb(uirl]  
PZ[hH(EX  
 z:p;Wm  
 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。） ri?k}XnhX  
eJ"je@vvrK  
9V0@!M8S  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 62D UF  
ZdsYIRU#  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 h|Ah\P?o  
; VH:dg  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 \nbGdka  
7E]qP 5  
 这意味着参数变化是的正态 Pz77\DpFi  
P~^VLnw  
S9mcThcZ  
   r Y#^C  
 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。 }c?W|#y`.o  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 =&,<Co1hF  
7mBH#Q)  
E},^,65  
;QS(`SK l  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run N/V~>UJ0{*  
UfxY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） ah2L8jN"  
WXmR{za   
z?M_Cz;:J  
kes GwMr"e  
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。 3X:)r<  
[~Vj(H=KwI  
总结 dc=}c/6x  
sBq
6,Iu  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 /t|Lu@&:Xo  
1.模拟 *m6h(8(7Z  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 .EB'n{zxd  
2.研究 4^3lG1^YY  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 duq(K9S  
3.优化 N% !TFQf  
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。
;_iDiLC;  
4.分析 {Lg]chJq?  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 M$$Lsb [  
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。 );!IGcgF  
I(Gl8F\c
~  
参考文献 E(p#Je|@[  
[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). VtYrU>q  
jzb%?8ZJ  
进一步阅读 g/(3D  
={G0p=~+,p  
进一步阅读 ,ui=Wi1  
 获得入门视频 MG-

#p8  
- 介绍光路图 !L3\B_#  
- 介绍参数运行 r>_40+|&  
 关于案例的文档 m'PU0x  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens i1JVvNMQ,  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens KJYcP72P  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing Rc2JgV  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair

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