[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） A%-*M 'J  
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 9G[!"eZ}  
0>6J-   
(OLjE]9;  
简述案例 k-Hy>5;  
C?fd.2#U  
系统详情 ?xWO>#/  
 光源 l:-$ulAx  
- 强象散VIS激光二极管 2`9e20  
 元件 IE+{W~y\  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） e4fh<0gX  
- 具有高斯振幅调制的光阑 7y5`YJ}!  
 探测器 W4%I%&j  
- 光线可视化（3D显示） p[2`H$A  
- 波前差探测 )"/.2
S;  
- 场分布和相位计算 3yX^93  
- 光束参数（M2值，发散角） +DmfqKKbd  
 模拟/设计 I<L  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 P(a!I{A(  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： fd!bs*\X  
 分析和优化整形光束质量 _C2iP[YwQ{  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 
O{R)0&  
^hr^f;N  
系统说明 97l
<9^$  
4 3V{q  
{e~#6.$:  
模拟和设计结果 "yJFb=Xdq  
R&KFF'%  
数值探测器结果 L{1MyR7`I+  
fUx;_GX?  
\e+h">`WgX  
iY?J3nxD-:  
O$zXDxn  
总结 6l]jmj)/  
%;/?DQU  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 r&+8\/{  
1.模拟 (SGX|,5X7  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。
GB,f'Afl  
2.评估 H c,e&R  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 CoZOKRoaH  
3.优化 u#!Q
IQW  
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。 [wOz<<  
4.分析 !-rG1VI_S*  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 *Tc lcu  
U/}YpLgdD  
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。 yUnNf 2i  
L7\V^f%yCm  
详述案例 3Gi^TXE]  
MTXh-9DA  
系统参数 f|f)Kys%5  
2(I S*idq  
案例的内容和目标 o-I:p$B-  
8]h~jNku  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 BK 3oNDy  
jRiXN%  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 
HOt,G _{  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 DwmK?5p  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 qofD@\-  
MHj RPh  
模拟任务：反射光束整形设置 A |u-VXQ  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 qXqGhHoe;  
G+7#!y Y  
KE[!{O^(a  
B/O0 ~y!n  
%>'Zy6C<j  
iX%9$Bft<  
规格：像散激光光束 8;Zz25*  
] M`%@ps  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 Ty<."dyPW  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ; DXsPpZC  
5'\detV_  
Gsn$r(m{K  
t"JE+G  
!mZDukfjQ  
s<>d&W 0=  
规格：柱形抛物面反射镜 \VpN:RI  
                         k?Kt*T  
 有抛物面曲率的圆柱镜 Ptm=c6H('  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 j*\oK@  
 曲率半径等于焦距的两倍 N TcojA{V$  
j(A>M_f;  
$J8g)cS  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） Al1_\vx7  
Jxf>!\:AZu  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ]"/SU6#4:  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） cO$xT;kK  
 离轴角决定了截切区域 e%s1D  
ZIN1y;dJ  
规格：参数概述（12° x 46°光束） J}NMF#w/;  
IwXWtVL  
   Mz6\T'rC  
a,36FF~&  
光束整形装置的光路图 U&i#cF  
oam$9 q  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 m%0_fNSJ  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 E{0e5.{  
5dGfO:Dy_  
反射光束整形系统的3D视图 9a[1s|>w-  
5,-g^o7  
eC"k-a8j+  
LC4VlfU  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 uI$n7\G!  
 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）。 -AD@wn!wCJ  
Zs(BViTb|  
详述案例 AyWdJ<OU  
v%$l(  
模拟和结果 6cd!;Ca
 
W[I$([  
结果：3D系统光线扫描分析 E mg=,  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 j!@T@ 8J  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 \=D+7'3  
Fv7]1EO.  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd vh.-9eD  
*^%+PQ  
使用参数耦合来设置系统 O=t~.]))  
gg.]\#3g  
自由参数： @<3E`j'p  
 反射镜1后y方向的光束半径 T$`m!mQ4  
 反射镜2后的光束半径 2 431v@  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 'z^'+}iyv  
 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。 A@Q6}ESD  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 ]isq}Qv~  
e]nP
7TIU  
)H@<A93  
? V1ik[  
3$xpZm60  
qH0JZdk  
自由参数： sBYDo{01  
 反射镜1后y方向的光束半径 k;jl3GV  
 反射镜2后的光束半径 G
k+R,:  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） KAXjvZN1  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 SHs [te[  
gm pY[  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 n-2!<`UFX  
yZ{N$ch5b  
?FNgJx*\S  
结果：使用GFT+进行光束整形 gaQ E'qp>  
I{[}1W3]W  
V,rR*a&p  
.?rs5[th*  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 >]anTF`d  
p2Gd6v.t  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 vs$h&o>|  
k~so+k&=b  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 4CchE15  
;~DrsQb  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： eI:x4K,#  
Zyr|J!VF  
cWyf04-?  
`q\F C[W  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ob8}v*s  
wh8;:<|  
结果：评估光束参数 {ZSAPq4)L  
(tq);m&  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 =$+0p3[r  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 "9dZ z/{  
jbq x7x  
-W.-m2:1  
 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。 pGD-K41O]  
 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） Du +_dr^4  
U\,N  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 'hPW#*#W<  
.SmG)5U]  
光束质量优化 @YRy)+  
5D=U.UdR  
 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。 ]mi\Y"RO  
 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）。 r_+!3   
RhmkpboucC  
结果：光束质量优化 5#x[rr{^*  
uPbdzUk$  
 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。 Jw}&[  
Vt \g9-[  
fj['M6+wd  
3?<A]"X.  
 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。） A@?-
"=h}  
8%?MRRK  
AxH`4=3<  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 8dLmsk^  
x5xMr.vm  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 Im-qGB0C  
%-$ :/N  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 jj;TS%  
<KtL,a=2+  
 这意味着参数变化是的正态 P.Cn[64a+@  
Y1>OhHuN  
a
%a0/!U[  
   Z8/
.I
 
 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。 kREFh4QO,  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 DWx;cP8[  
6&6dd_K(  
{/N8[?zML  
LkK&<z  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run FIAmAZH}_  

 u+z  
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） hyJ&~i0P{J  

(RrC<5"  
lTN^c?  
Ktt(l-e+  
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(qs1  
?-o_]!*v0/  
总结 $%ND5u
K  
P_mP ^L  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 I*JJvqh
  
1.模拟 bQ 0Ab"+D  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ?li/mc.XG  
2.研究 *wX[zO+o  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 ~#VDJ[Z  
3.优化 7@e}rh?N-|  
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。 m~W[,7NE0&  
4.分析 Unq~lt%2  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 g2^{+,/^K  
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。 =+?OsH v  
l_9ZzN  
参考文献 VK,{Mu=.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). r~7
}w4U  
snu?+*6  
进一步阅读 Wlq3r#  
MT)q?NcG  
进一步阅读 Hd7Vp:KM  
 获得入门视频 P|lDW|}D@  
- 介绍光路图 IZ^:wIKo{  
- 介绍参数运行 lx2%=5+i;  
 关于案例的文档 lk81IhI  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens r}Gku0Hu_E  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens cH:&S=>h  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing #)48dW!n  
- 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