[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） &ic
'!h"  
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  lha;|  
Fk49~z   
564L.^$@|  
简述案例 [5'HlHK  
xGyl7$J  
系统详情 *Zg=cI@)(  
 光源 wtSU43D  
- 强象散VIS激光二极管 aPlEM_escS  
 元件 WYF8?1dt +  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） ;+C$EJw-  
- 具有高斯振幅调制的光阑 9nVb$pfe#  
 探测器 (hOD  
- 光线可视化（3D显示） ASov/<D_q  
- 波前差探测 ^U,iDK_  
- 场分布和相位计算 mfg>69,w  
- 光束参数（M2值，发散角） 5|0/$ SWd*  
 模拟/设计 517"x@6Q  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 _O}U4aGMTC  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： gdD|'h  
 分析和优化整形光束质量 o:v_I{  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 z*.G0DFw  
cQ<|Of  
系统说明 ]8wm1_qV  
00D.Jn  
u(3 u
Z:  
模拟和设计结果 ?i_
/f}.K  
p,k1*|j  
数值探测器结果 I}u\ov_Su  
>"1EN5W  
UTE6U6  
#Tzs9Bkaca  
jNx{*2._r  
总结 (PH7nW7  
h-Y>>l>PW0  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 7L/LlO/  
1.模拟 uQbag]&j  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 |APOTQ
V  
2.评估 BZhf/{h[@  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 bBML +0a  
3.优化 _;^x^  
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。 msCz\8Xd  
4.分析 WFc4(Kl  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 nLAwo3  
[mwqCW&  
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。 ~M* UMF^  
^L.I9a#]  
详述案例 ^W=hs9a+F  
N/WtQSl  
系统参数 aC=2v7*  
e8):'Cb   
案例的内容和目标 Ff>X='{  
ORKJy)*"  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 p q?# X0  
?r(vX
q\  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 `K0.6i [p  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 ]U~{?K'g@j  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 KXx;~HtO  
w(_:+-rqQ<  
模拟任务：反射光束整形设置 nm\f$K>Pg  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 g qORE/[  
c8]%,26.  
Z%ZOAu&p  
4e\wC  
Ow1+zltgj-  
@G#`uoD  
规格：像散激光光束 /QL<>g  
?nu<)~r53  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 i@P=*lLD  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 (W"0c?i|]  
jQz^)8)B  
;W+1 H !  
1$# r)S[*  
i)cG  
VIGLl'8p  
规格：柱形抛物面反射镜 @>'Wiq!  
                         . P44t  
 有抛物面曲率的圆柱镜 f]2gjQHM  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 uCW}q.@4  
 曲率半径等于焦距的两倍 
X_JC1  
?vD<_5K;I  
*S<I!7Q  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 4 }_}3.  
S=< ]u  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 nWYfe-zQxg  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） v(O@~8(I  
 离轴角决定了截切区域 V#1v5mWVx  
?JRfhJ:j  
规格：参数概述（12° x 46°光束） gQ '=mU  
)i39'0a  
   ss|n7  
)('{q}JxV  
光束整形装置的光路图 3!*`hQ;s  
DT;;4-{  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 [A!=Hv_$  
 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。 '@hnqcqXq  
RC"xnnIJv  
反射光束整形系统的3D视图 b1e)w?n  
75Bn p9  
f
B; o3!y  
{iLr$89  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 u4=ulgi  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 -Vg0J6x  
0j#$Swa  
详述案例 L(`q3>iC4.  
8p~[8}  
模拟和结果 ? zic1i  
MhFj>t   
结果：3D系统光线扫描分析 gd31ds!G  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 -Xgup,}?  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 kP~ ;dJD  
#zd}xla0]  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ,n5 [Y)  
5bK:sht  
使用参数耦合来设置系统 =PBJ+"DQs  
+w3k_^X9c  
自由参数： #>$w9}gFi  
 反射镜1后y方向的光束半径 BxxqzN+  
 反射镜2后的光束半径 5i3nz=~o  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） V SH64  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 DGAg#jh  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 TU8K\;l]  
+qF,XJ2  
xaSiG  
K)8 m?sf/  
O~#OVFJ9=  
^yF2xJ)9-  
自由参数： f
AR0GOI  
 反射镜1后y方向的光束半径 bzMs\rj\  
 反射镜2后的光束半径 b(g?X (&  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 2ld0w=?+eu  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 kmL~H1qd  
f['pHR%l2$  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 1Yv#4t  
pK2n'4 C  
obIYC  
结果：使用GFT+进行光束整形 {7q +3f <  
w~9=6|_  
POUD*(DqNK  
_RzcMX  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 N`rOlEk  
$3n@2 N`  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 QVrMrm+vRv  
O/Wc@Ln  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 _52BIrAO2  
s*pgR=dZZ  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： # OQ(oyT  
HPR*:t
 
=i)k@w_(x  
NCysYmt  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ~v<,6BS<$Z  

\=/^H  
结果：评估光束参数 Z66@@?`  
7e-l`]  
 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。 \uV;UH7qe  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 o93A:fc  
Z-+p+34ytq  
ztS'Dp}q<  
 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。 G" Fd]'  
 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） rx#\Dc}  
^m:?6y_uw  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd BqKh&m  
/TgG^|  
光束质量优化 uB:utg  
4RqOg1  
 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。 u
U]4)Hp  
 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）。 x~tG[Y2F?  
OC]_b36v  
结果：光束质量优化 UI 7JMeV  
~T[m{8uh  
 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。 [ Q6v#I  
`QlChxd  
%h%^i   
8W"~>7/>D  
 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。） Mc6?]wDB]  
=ITMAC\  
vF K&.J
 
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd F+S;u=CKx  
|f~p3KCfV  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 bgm$<;`U  
XoaBX2  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 H{P"$zj`l  
s3G3_&  
 这意味着参数变化是的正态 0Kjm:x9T  
jn#  
v:<UbuJw  
   |:tFQ.Z'2  
 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。 Au,}5=+`P  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 RCq_FY  
@&]j[if(s  
Ss&R!w9p  
J~:/,'Ea  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run -<i&`*zG  
$N=A,S  
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） ![iAALPNl  
;ePmN|rq;  
cV5Lp4wY?  
t\]CdH`+  
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。 o=2y`Eq  
xS,#TU;)Ol  
总结 _~DFZt@T  
% j7lLSusX  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 M#d_kDMw  
1.模拟 lYeot8  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 #uT-_L}sw  
2.研究 J%;TK6  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 b'^-$  
3.优化 c`y[V6q9  
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。 Sj}@5 X6 C  
4.分析 Sg0 _l(  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 ){")RrD(  
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。 ~/hP6*  
(6?pBdZ  
参考文献 @B~/0 9  
[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). w'.ny<Pe  
Y'Jb@l`$-  
进一步阅读 d;(L@9HHD  
oHbEHS61  
进一步阅读 8sg8gBt  
 获得入门视频 z_< 7T4  
- 介绍光路图 e0*',  
- 介绍参数运行 BJk\p.BVN  
 关于案例的文档 >OwVNG  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ts%@1Y?  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 7Z"mVh}  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing M\8FjJ>9  
- 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