[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） "E>t, 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 kU
Hie   
n9fk,3  
{(\(m/!Z  
简述案例 -3mgza  
M\yHUS6N  
系统详情 <pOl[5v]  
 光源 s#lto0b"8  
- 强象散VIS激光二极管 'XTs -=  
 元件 6s,2NeVWa  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） ;,0lUcV  
- 具有高斯振幅调制的光阑 EDN(eh(_  
 探测器 e d;"bb  
- 光线可视化（3D显示） "2mFC!  
- 波前差探测 ~|R[O^9B  
- 场分布和相位计算 p^8JLC  
- 光束参数（M2值，发散角） wZv-b*4  
 模拟/设计 z{6YC~  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 >Me]m<$E;  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： y[:q"BB3  
 分析和优化整形光束质量 l^,qO3ES  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 N?+eWY  
l
<2oklo5  
系统说明 g9qC{xd  
8ath45G@  
d
wp:iM  
模拟和设计结果 4p x_ZD#J  
E0`[G]*G  
数值探测器结果 y#bK,}  
8&T,LNZoY  
3G&0Ciet  
]-KV0H  
966<I56+  
总结 cno;>[$  
%uEtQh[  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ;>C9@S+  
1.模拟 &Y=.D:z<  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 =
43d%N  
2.评估 ~BQV]BJ7  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 !a4cjc(
 
3.优化 leIy|K>\m  
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。 k<,u0  
4.分析 !3HsI|$<G  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 8;8YA1@w  
~T&% VvI  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 aG Ef#A  
lO_c/o$  
详述案例 {Ve D@  
[Gf{f\O  
系统参数 Q!x`M4   
@%H8"A  
案例的内容和目标 _iq2([BpL  
lJ'trYaq7  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 YJc%h@_=]  
x?rbgsB5&  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 W
CoF{*  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 W[GQ[h  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 u&tFb]1@)  
~BtKd*~*  
模拟任务：反射光束整形设置 Hy;901( %  
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#Mv&tU  
k%^<}s@  
E\_
W  
 *0-v!\{  
PC[cHgSYU  
IyT?-R  
规格：像散激光光束 Y!;gQeC  
.`mtA`
N  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 d>;2,srUf  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 '}T;b}&s  
;{]8>`im&4  
2H3(HZv  
+!Q!m 3/I  
Gxo# !  
&q"'_4
 
规格：柱形抛物面反射镜 n'ehB%"  
                         [qW<D/
@  
 有抛物面曲率的圆柱镜 2q/nAQ+  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ckAsGF_B~!  
 曲率半径等于焦距的两倍 4uX,uEa  
[4ee <J  
G{/;AK  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） H/pcXj  
%8a=mQl1^  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 W\'Nv/L  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 70duk:Ri0  
 离轴角决定了截切区域 aN:HG)$@  
G&.d)NfE  
规格：参数概述（12° x 46°光束） g>UB

ZA4  
8g.AT@ ,Q  
   ZU)BJ!L,s  
>6XDX=JVI  
光束整形装置的光路图 FT<H]Nf  
W0C{~|e  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 B'<!k7Ewy  
 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。 )\D2\1e(c  
O<4Q$|=&?  
反射光束整形系统的3D视图 yLjV[qP  
Y+!Ouc!$  
k\nH&nb  
kV_#9z7%  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Z+r%_|kZ  
 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）。 bd,Uz%o_  
+:fqL  
详述案例 ,tcP=fdk]  
7WgIhQ~  
模拟和结果 JL?Cnk$!  
Tt{U"EFO  
结果：3D系统光线扫描分析 &fCP2]hj'  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 -l\~p4U  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ~g*Y, Y  
<9ePi9D(  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd oSN8Xn*qr  
J 5Wz4`'  
使用参数耦合来设置系统 *
^X#Eb  
C usV
W  
自由参数： lTxY6vi  
 反射镜1后y方向的光束半径 Tld1P69(  
 反射镜2后的光束半径 LKIW*M  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ub[""M?  
 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。 D/gd  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 caGML|DeI  
u+I3IdU3  
kX@bv"i  
f0/jwfL  
UN-T^  
o9_(DJ<{  
自由参数： $?[1#%  
 反射镜1后y方向的光束半径 TTeAa  
 反射镜2后的光束半径 X!,#'&p&  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 30A`\+^f  
 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。 c_@XQ&DC`  
~!8%_J_  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 Tg3:VD  
2=igS#h  
4}.WhE|h  
结果：使用GFT+进行光束整形 l5{(z;xM  
&?KP
u?9  
^^n+  
wrz+2EP`  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 4$0jz'  
jz|Wj  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 [54@irH  
v(qV\:s}m  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 aEcktg6h  
+CsI,Uf4*  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： ,"P5D&,_  
ML=hKwCA  
4y|xUO:  
T [T6
  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd DCEvr"(  
T)b3N|ONB  
结果：评估光束参数 "2)+)Db  
*\=2KIF'  
 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。 kV*y_5g  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 3S[w'  
03X<x|  
s(1_:  
 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。 LL|_c4$Ky  
 M2值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M2值是由光束偏离引起的） c*y$bf<  
2x)0?N[$O  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd NWo7wVwc/c  
*23m-  
光束质量优化 xT_fr,P  
p{A}p9sjx  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 S[W9G)KWp  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 Eg@R[ ^T  
zznPD%#Sc  
结果：光束质量优化 5?V?  
Nb^
zkg  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。 c[wQJc  
#,f}lV,&  
o9U0kI=W  
naec"Kut  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） JLy)}8I  
"C$!mdr7  
1R5\GKF6o  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd hRuo,FS#:  
s=^r/Sz902  
反射镜方向的蒙特卡洛公差
BiHiVhD_  
&rl]$Mtt  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 {Y3_I\H8{  
xJ[k#?T'  
 这意味着参数变化是的正态 m wRLzN  
Pe+ 8~0o=R  
CX&yjT6`  
   ch5`fm  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。
br34Eh  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 &xGfkCP.]  
"oE^R?m  
Y{Y;EY4  
1jUhG2y  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ^*cMry  
v@$evmA  
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） h}anTFKP  
%468s7Q[Mi  
b
2/N H1A  
C>w9 {h  
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。 X]JpS  
+!L_E6pyXE  
总结 4! Oa4  
;+r)j"W  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 )AnlFO+V  
1.模拟 Ac5o K  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Z!]U&Ax`Z  
2.研究 0_,3/EWa  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 s%L" c  
3.优化 xu%! b0  
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。 Kh:#S|
  
4.分析 I |<+'G  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 .UT,lqEkv  
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。 lry&)G=5  
? !oVf>  
参考文献 -~<q,p"e  
[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). x;ICV%g/  
|7S4;  
进一步阅读 ~q8V<@?  
I9*BENkR  
进一步阅读 MuFU?3ovG*  
 获得入门视频 -_{C+Y
_  
- 介绍光路图
wQdW lon  
- 介绍参数运行 P[#WHbn  
 关于案例的文档 h-2E9Z  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens A5.'h<  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens k[r./xEv+t  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing O)U$Ef  
- 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