[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） )k'4]=d <  
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 #{o
GmzG!  
1>e%(k2w%  
v05B7^1@_  
简述案例 [n{c,U F  
-McDNM
 
系统详情 bP8O&R  
 光源 8{iFxTz  
- 强象散VIS激光二极管 yM-3nwk  
 元件 wSP'pM{#2  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） xh raf1v3\  
- 具有高斯振幅调制的光阑 }|!9aojr  
 探测器 .B|a.-oA4  
- 光线可视化（3D显示） 
FeAMt  
- 波前差探测 lf%Ju$H   
- 场分布和相位计算 K{#1O=Gi  
- 光束参数（M2值，发散角） H(k-jAO
,  
 模拟/设计 ?g\SF}2  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算  y+.E}  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： =ijVT_|u0  
 分析和优化整形光束质量 R" '=^  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ui#K`.d
n  
,Xt!dT-  
系统说明 k%S;N{Qh@  
ZyQ+}rO  
1}"PLq(  
模拟和设计结果 E5U{.45  
3A5:D#  
数值探测器结果 ,V}Vxq3  
!c3li .  
wX!>&Gc.  
FaUc"J  
s.oh6wz  
总结 UAi]hUq  
ka$oUB)iQ  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 A(#4$}!n5  
1.模拟 :n t\uwh  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 31@m36? X  
2.评估 +,BJ4``*k  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 )Ap0" ?q  
3.优化 OY>0qj  
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。 $6 A91|ZSQ  
4.分析 A_
vf3 *q  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 R?K[O   
,{_;q:  
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。 N=X(G(  
S@'yuAe*G  
详述案例 ^.f`6 6
/  
;0!rq^JG  
系统参数 82bOiN15  
NgXV|)L  
案例的内容和目标 EN!Q]O|  
LBkAi(0rd  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。
"7T9d)  
%!;6h^@
 
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 a.5^zq7#!  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 h5.>};"@'  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。  h'_@  
Nhm)bdv]  
模拟任务：反射光束整形设置 aybfBC  
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。 1ukCH\YgU  
IO4 8sV }  
ct3^V M&/  
9W[ ~c"Ku  
;1&7v  
32N*E,  
规格：像散激光光束 HP /@ _qk  
FLI0C  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 B[I a8t  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 xqua>!mqS  
o1"-x  
!VfP#B6.  
r^$4]@Wn  
u\JYxNj1  
NzP5s&,C69  
规格：柱形抛物面反射镜 iw$n*1M  
                         ua^gG3n0  
 有抛物面曲率的圆柱镜 pd[?TyVK;  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 9Xu O\+z  
 曲率半径等于焦距的两倍 *UJ&9rQ
 
;3D[[
*n9  
r3hUa4^97  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） A{!D7kwTz~  
K`25G_Y3@  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 >$.lM~k  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型）
'WA]DlO  
 离轴角决定了截切区域 Q0}Sju+HX  
f_&bwfbo  
规格：参数概述（12° x 46°光束） S$Cht6m  
h zh%ML3L  
   #hOAG_a,  
v/4Bt2J  
光束整形装置的光路图 zuR F6?un  
/kAu&}  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 j>5D4}*]f  
 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。 fFHT`"bD:  
W* XG9  
反射光束整形系统的3D视图 ;34 m!\N5  
B^z3u=ll  
(mOUbO8  
{hr+ENgV  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 d`z),A=  
 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）。 ?W%9H\;  
X"KX_)GZD  
详述案例 -L&FguoVB  
<V}^c/c
!  
模拟和结果 9K>
$  
>l\?K8jL9  
结果：3D系统光线扫描分析 xJvM l`2;  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 gCMwmanX  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 eQ}o;vJN  
<fJ*{$[p  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd uKI2KWU?2  
6o
_t;cpT  
使用参数耦合来设置系统 a8#6}`|C?  
f?iQ0wv)  
自由参数： RtrESwtR  
 反射镜1后y方向的光束半径 9`/\|t|V  
 反射镜2后的光束半径 t\hvhcbL  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Z2yZz
:.'  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 m)A~1+M$)L  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 CvwC| AW  
F8\nAX  
~*|0yPFg  
( aGwe@AS  
pq"3)+3:  
Z
/-!-  
自由参数： 8+Y+\XZG  
 反射镜1后y方向的光束半径 YQzs0t ,  
 反射镜2后的光束半径 PKoB~wLH  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Rw$>()}H8  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 +H[GD!  
3Z*'  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 k!gf
t'iU  
GW_@hYIqD  
HWFI6N  
结果：使用GFT+进行光束整形 By|y:  
O
Y'490  
IK%fX/tDyc  
-r9G5Z!|n  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 &;~x{q]3  
|22~.9S  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 'Cq
WF"  
5B[kZ?>  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 -5Qsc/s&  
2;@#i*\Y  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： MLV_I4o  
CU3[{a  
. Q3GA0O  
.JNU3%s  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Sm
;EWz-?  
D2$"!7O1H  
结果：评估光束参数 3YyB0BMW  
#P,mZ}G\  
 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。 IfHB+H   
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 ;dt&*]wA  
xP<cF  
@\,WJmW  
 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。 gf`uC0  
 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） ='1J&w~7  
4qtjP8Zv[  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd a}3sG_(Y  
M6E.!Cs  
光束质量优化 YYFJJ,7?  
_w+ix9Fr?  
 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。 F&}>2QiL  
 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）。 Z~}=q  
3%Jg' Tr+  
结果：光束质量优化 5b9v
`6Kq  
i]{M G'tg  
 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。 \S(:O8_"68  
4&IBNc,sn  
_@3?yv~ D  
Fx']kn9  
 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。） )--v>*,V  
%C*oy$.  
,5" vzGLJ  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd rf"%D<bb  
k36%n
*4  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 S_cba(0-|\  
cDMA#gp  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 <lh+mrXm  
O/M\Q  
 这意味着参数变化是的正态 2F(zHa  
yyJ4r}TE  
0eY$K7 U  
   ai% fj*  
 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。 "J(#|v0  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 pX ]K-  
'ypJGm  
5KJN](x+  
iQpKcBx  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run )P\Vd #  
BgLK}p^  
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） ^y"Rdv  
YK#bzu ,!  
~JY<DW7  
g:MpN^l  
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。 #"%=7(

 
HaI  
总结 5-O[(b2O  
'7}s25[{\  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 R?g qPi-  
1.模拟 {q%&~  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 u= ( kii=/  
2.研究 HgY"nrogt$  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 )|f!}( p  
3.优化 DzX5_ kA  
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。 0%.l|~CE&  
4.分析 DWDL|4 og  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 s<x2*yVUA  
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。 FCU~*c8C
s  
Pb=J4Lvz(d  
参考文献 `WHP#z  
[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). ZiodJ"r  
:WejY`}H%  
进一步阅读 b8v?@s~  
4;8 Z?.  
进一步阅读 p%5RE%u  
 获得入门视频 1{R1:`  
- 介绍光路图 D 4^2F(YRX  
- 介绍参数运行 -#=v~vE  
 关于案例的文档
L!:}  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens Zuod1;qIh  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens g9I2 e<;o  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing e"P>b? OY  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair

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非常有用，谢谢！

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