[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） "7!;KHc  
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 IAYR+c  
"^4_@ oo  
G;&-\0>W  
简述案例 !+1<E*NQ S  
uxW~uEh  
系统详情 BbW^Wxd3  
 光源 4xk|F'
6K  
- 强象散VIS激光二极管 Ey_" ~OB  
 元件 g}f`,r9
  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） *FC=X)_&W  
- 具有高斯振幅调制的光阑 9S-Z&2L  
 探测器 v\!Be[ ?  
- 光线可视化（3D显示） f47Od-\-  
- 波前差探测 s~>d:'k7|  
- 场分布和相位计算 4#ug]X4Y')  
- 光束参数（M2值，发散角） whpfJNz  
 模拟/设计 3 DDML,  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 l;JA8o\x  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： x$IX5:E#e  
 分析和优化整形光束质量 p;._HJ(  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 33#0J$j7  
i 7_ _  
系统说明 [onGNq?#  
~KW,kyXBnD  
fIj|4a+  
模拟和设计结果 q[HTnx  
:,Pn3xl
 
数值探测器结果 K%"5ImM  
j<u@j+V  
R($KSui  
gUxP>hB  
@n(Z$)8tR  
总结 *$p2*%7Ne  
q8^^H$<Db  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 &GlwC%$S  
1.模拟 Gs9:6  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 twP,cyR  
2.评估 LUuZ9$t0J"  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 >?6&c  
3.优化 kD*2~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。 >iD )eB  
4.分析 : y5<go8e  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 %;e/7`>Ma  
)6+eNsxMlC  
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。 O) WCW<p  
2C/$Ei^t  
详述案例 <(-3_s6-  
.Jt[(;  
系统参数 g{8,Wx,,  
"Jt.lL ]5  
案例的内容和目标 O>^C4c!  
QS{1CC9$  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 tcLnN:  
W6"v)Jc>_  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 mH Ic f{RG  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 '[C.|)"  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 r41\r
,`Dj  
O9EKRt  
模拟任务：反射光束整形设置 JcbwDlUb  
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。 j:E<p_T  
uoHNn7W  
VJdIHsI  
1_\;- !t  
4g :>[q  
CAcS~ "  
规格：像散激光光束
e'0{?B  
EmODBTu+  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 A8pIs  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 &_~+(  
$)RNKMZC}A  
{@tv>!WW  
[k6nW:C
 
l-ct?T_@  
hRty [  
规格：柱形抛物面反射镜 .G+Pe'4a  
                         H63,bNS s  
 有抛物面曲率的圆柱镜 Z\HX~*,6  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 kAu+zX>S+  
 曲率半径等于焦距的两倍 d
4nH_?  
u
O=aaKG  
?r?jl;A&  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） ")V130<  
^4,
a8`
  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 J2j U4mR  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） Q5FM8Q
 
 离轴角决定了截切区域 JaK}|  
m< 3Ao^I+  
规格：参数概述（12° x 46°光束） "g'jPwFG  
G.(mp<-  
   /\H>y  
6S+U&Ce\  
光束整形装置的光路图 >2]JXLq  
'1$!jmY  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 CMn{LQcC  
 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。 "dI;  
2Sh  
反射光束整形系统的3D视图 T'LIrf  
* 1Od-3  
7DIIx}
A  
v>
Mnl  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 9:e YU =  
 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）。 kI:}| _  
%/YcL6o(  
详述案例 Ur5FC r  
_L@2_
#h!  
模拟和结果 ' 4ER00  
zkO<-w  
结果：3D系统光线扫描分析 VMCLHpSfW  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 2 ho>eRX  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 Fr%d}g  
jiYmb8Q4D  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ak:ibV  
9Ffp2NW`;  
使用参数耦合来设置系统 ;\[(- )f!=  
fm^@i;D  
自由参数： mWyqG*-Hb  
 反射镜1后y方向的光束半径 lRveHB&V  
 反射镜2后的光束半径 6<'21  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 2hee./F`  
 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。 4WE6fJ2X  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 XEdzpkB  
<a[Yk 2
 
JR@.R ,rII  
QjC22lW-  
?_v{| YI=  
HmZ{L +"  
自由参数： Vur bW=~g  
 反射镜1后y方向的光束半径 ^mb[j`CCt  
 反射镜2后的光束半径 hRq3C1mR  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） !xwG%{_  
 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。 kFQ8 y~>y}  
UThB7(O,  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 JKX_q&bUw  
e#B#B  
]q6;#EUr?  
结果：使用GFT+进行光束整形 Vp<seO;7o  
)LdyC`S\c  
/l{&iLz[  
e4G4GZH8  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 b]7GmRekl  
j+^
oz'q  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 8kbY+W%n  
rLU/W<F8  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ;3 F"TH  
Iu{kPyx  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： jn:
NYJv  
&bhq`>  
&|aqP \Q5  
5P .qXA"D  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd LPwT^zV&N  
XK"
-'  
结果：评估光束参数 1lsLJ4P  
[lk'xzE  
 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。 :=9]c17=  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 +`sv91c  
k"N(o(  
cv(PP-'\  
 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。 i_kE^SSgm  
 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） lKkN_ (/j  
UYA_jpIP  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd QaGlR`Y  
CdUAy|!`R  
光束质量优化 ?go:e#  
zd_HxYrN  
 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。 xcJ`1*1N  
 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）。 huudBc A[  
Bk}><H  
结果：光束质量优化 }P3tn  
?+c`]gO7N  
 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。 GdVhK:<>  
{u[V{XIUh  
W- $a Y2  
-B$~`2-  
 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。） 3@n>*7/E  
v_S4hz6w\  
JjXobNQf  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 3jogD  
K\^ 0_F K  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 pr,p=4m{\  
CU:o*;jP  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 h7X_S4p/Mg  
`O^G5 0  
 这意味着参数变化是的正态 8SmnMt  
IkzTJ%>  
=N);v\ Q$!  
   !'=15&5@  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 |KYEK|  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 Zs2-u^3&  
i{^Z1;Yl  
+fKtG]$  
>%Ee#m  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run INSkgOo  
QMo}W{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） qP!P +'B  
W YW|P2*  
3ew8m}A{O  
$[@0^IJq=K  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 6O2=Ns;J6  
iv(5&'[p  
总结 0(8H;T  
W2-=U@  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 'rb'7=z5  
1.模拟 Wk4.%tpeO7  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 iP3Z  
2.研究 vQ@2FZzu>  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 <uP
^-bv;(  
3.优化 l]2
r)!Q7  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 +~sd"v6  
4.分析 p3^jGj@  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 '[P}&<ie,  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 :Zw@yt  
\nrP$  
参考文献 c:M$m3Cs?  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). IO.<q,pP!_  
9=dkx^q  
进一步阅读 *
B)yy[8j+  
(y4#.vZh:  
进一步阅读 >n.z)ZJ  
 获得入门视频 bzmr"/#D3  
- 介绍光路图 ts9pM~_~  
- 介绍参数运行 PHM:W%g:  
 关于案例的文档 L$v^afP?  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens Q}2[hB  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens '3l$al:H^  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing Y^v
e:Z  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair

学习一下。

非常有用，谢谢！

很棒 学习一下！

讲的很详细

学习了