[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） V&82U w  
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 *(~7H6  
+O P8
U]~  
xab1`~%K  
简述案例 In)8AK(Hw  
En$-,8\%  
系统详情 ,Cx @]]  
 光源 m~"<k d  
- 强象散VIS激光二极管 EhDKh\OY5  
 元件 ]5W|^%  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） l<I.;FN^9@  
- 具有高斯振幅调制的光阑 v-u53Fy  
 探测器 |fX @o0H  
- 光线可视化（3D显示） K?0f)@\nx  
- 波前差探测 L+y}hb r
 
- 场分布和相位计算 3u+A/  
- 光束参数（M2值，发散角） %>^CD_[eO  
 模拟/设计 csP 5R3  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 vd`;(4i#X  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： ${\iHg[vZ  
 分析和优化整形光束质量 SYkLia(Ty  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 sd|5oz)  
^hPREbD+f  
系统说明 QiBo]`)%  
^PDz"L<*  
}gw \w?/  
模拟和设计结果 V'TBt=!=]  
+\~.cP7[  
数值探测器结果 fWo}gH~  
L{_Q%!h3]  
4^h_n1A  
Q
?df5{6  
NzB"u+jB  
总结 J`/t;xk  
! h7?Ap  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 bHx09F]  
1.模拟 D"kss5>w  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 C+\c(M a  
2.评估 G&qO{" Js  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 .}'49=c  
3.优化 98 dl -?  
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。 /'KCW_Q  
4.分析 z|,YO6(L  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 z8v]Kt&  
rqJ'm?>cr  
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。 <Uj~S  
*d%"/l^0  
详述案例 -Zs.4@GH  
.W4P/Pw'  
系统参数 !EO
*xxQ  
?U+^ctwv7  
案例的内容和目标 FvX<(8'#a  
&/XRiK1"0  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 >TZ 'V,  
hp ?4w),
 
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 S0-f_,(  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 kn2s,%\`<p  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 SrlTwcD  
c8uFLM j  
模拟任务：反射光束整形设置 J+hiz3N  
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。 z?T;2/_7  
 UZJ^e$N  
$;GH -+  
uY6]rt_#a  
u@ MUcW  
Vf28R,~m  
规格：像散激光光束 7 'T3Wc  
DxuT23. (  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 Uk@du7P1k  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 >4n\  
BQ8vg8e]B  
"==fWf  
].AAHu5  
5"~F#vt  
B{}<DP.  
规格：柱形抛物面反射镜 ZLP)i;A
z  
                         D\13fjjHlu  
 有抛物面曲率的圆柱镜 q!L@9&KAQ  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 3C[#_&_l  
 曲率半径等于焦距的两倍 SX/E@vYb  
244[a] %&;  
oRDqN]  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） &A/k{(.XP  
%XF>k)  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 "2l$}G  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） H$D),s gv  
 离轴角决定了截切区域 2Dc2uU@`r  
3
8<Z=#S  
规格：参数概述（12° x 46°光束） {J&[JA\  
-BV8,1  
   7uUo DM  
T`ofj7$:  
光束整形装置的光路图 r`dQ<U,  
k-V3l  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 2
}\/_Y6  
 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。 .}n-N #  
/Z~}dWI  
反射光束整形系统的3D视图 +,g3Xqs}X  
Lg%3M8-W~  
PTS dW~3  
F<V.OFt  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 s(.H"_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）。 DXI{ jalL  
!B*l'OJw  
详述案例 }Fq~!D Ee  
SH1S
_EQ<  
模拟和结果 (IXUT6|  
\rpXG9  
结果：3D系统光线扫描分析 n^lr7(!6  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ,K WIuCU;  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 <u_vL WS  
BjSd\Ul  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd &7J-m4BI  
m7#v2:OD+  
使用参数耦合来设置系统 Of}dsav   
9$q35e  
自由参数： #c%FpR4  
 反射镜1后y方向的光束半径 fxQ4kiI  
 反射镜2后的光束半径 VbI$#;:[7  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） [4 v1 N  
 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。
iSP}kM}  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 XN&cM,   
~K/_51O'  
Oq9
E$0JW  

6 h%,%  
H~NK:qRzK  
oQiRjDLx  
自由参数： n&%0G2m:  
 反射镜1后y方向的光束半径 po!bRk[4  
 反射镜2后的光束半径 E[ttamU  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Gk']Ma2J}  
 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。 |)65y  
.<zN/
&MXf  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 =E w<s5C@  
<MyT ;  
ZOBcV,K  
结果：使用GFT+进行光束整形 ]~
:WGo=_  
LC,6hpmh  
dKQu  
mUNAA[0 L  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ()Q#@?c~  
nB;[;dCz  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 c6T[2Ig  
az1#:Go  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ]++,7Z\AU  
~l8w]R3A  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： r"9hpZH  
IhHKRb[  
Yosfk\D  
YU`}T<;bg  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd u]*f^/6Q  
=o:1Rc7J  
结果：评估光束参数 '2Lx>nByk  
tIT/HG_o  
 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。 Z*+y?5+L"P  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 t52KF#+>  
^4Uk'T7V  
#p<(2wN  
 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。 >a;LBQ0  
 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） V-(*{/^"  
j+PLtE  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd C]Q`!e  

JM7FVB  
光束质量优化 t*J?#r  
VHi'
~B#'*  
 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。 X%$1%)C9  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 ? q_%  
%ol\ sO|  
结果：光束质量优化 29^(weT"]  
rJ{k1H>  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。 I7\T :Q[  
}9 ]7V<  
|\Q2L;4C  
vq+4so )/S  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） t`Rbn{  
h$XoR0  
DX^8w?t  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd nvCp-Z$  
yIC C8M  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 *'*,mfk[  
`An p;el  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 @?jbah
#  
$:yIe.F  
 这意味着参数变化是的正态 V|TD+7.`QB  
nIZsKbnw  
=w3cF)&  
   }mo)OyIX  
 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。 !ALq
?u  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 >@h#'[z,d  

u_}UU 2  
86eaX+F  
+s6v!({Z  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run uzI-1@`  
\<hHZS  
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） b%KcS&-6  
oJ tmd}  
f1S%p  
p({Lp}'  
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。 ^oYRBEIJH  
/x)i}M)  
总结 gb4$W@N7V  
]9~Il#  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 xSm~V3bc  
1.模拟 zf]e"e  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 %Eugy  
2.研究 V(XZ7<& {  
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 vTswM>  
3.优化 cNikLd~?A  
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。 RUq[HxF) 6  
4.分析 j;qV+Rq]t  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 Ly/  
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。 ]t~'wL#Z  
0>46ZzxUZ  
参考文献 r,3\32[?  
[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). Vc6 >i|"-O  
fq4uiFi<  
进一步阅读 I5Ty@J#  
:0ltq><?  
进一步阅读 ,)N/2M\B-  
 获得入门视频 obN8+ j  
- 介绍光路图 M]M>z>1*v  
- 介绍参数运行 P_b!^sq9  
 关于案例的文档 %iME[| u&  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 8GRB6-.h  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens `Kn+d~S4  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing ji\&?%(B  
- 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