[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） )-gyDA
 
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 P])O\
<)J  
5N0H^  
j/&7L@Y  
简述案例 .CYkb8hF  
]vMft?  
系统详情 ?*=Jq  
 光源 Dlp::U*N'  
- 强象散VIS激光二极管 aL}_j#m{  
 元件 ~MF. M8  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） !WXSrICX[  
- 具有高斯振幅调制的光阑 fsoS!6h0k  
 探测器 m{|n.b  
- 光线可视化（3D显示） Zlhr0itf  
- 波前差探测 '1<QK  
- 场分布和相位计算 ; V8 =B8w  
- 光束参数（M2值，发散角） vSh)r 9  
 模拟/设计 4j5plm=  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ="4)!
 
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： NT0q!r/!  
 分析和优化整形光束质量 %BJ V$tO  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 E),T,  
t [f]  
系统说明 &I8ZVtg  
~Q5HM  
^
Ue>T8  
模拟和设计结果 -VL3em|0  
hI$an%Y(  
数值探测器结果 ~7|z2L  
~p&sd)  
rnUe/HjH  
x\WKsc  
=x>KA*O1  
总结 kq+L63fZ  
xQ4Q'9  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 6Y=)12T  
1.模拟 o/&Q^^Xj^~  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 3$_wAt4w  
2.评估 6;Bqu5_Cj  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 mSs%gL]g  
3.优化 +m_quQ/ys  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 h8Gp>b  
4.分析 S[Et!gj:  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 YC{od5a  
*`[LsG]ZF  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 K=V)"v5o3  
/}Max@.`  
详述案例 PM{kiz^  
]'{<O3:7  
系统参数 t2>Vj>U  
tlE+G@|^  
案例的内容和目标 :^K|u^_>P  
;tO(,^  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 =Z2sQQVS  
>Tw|SK+3  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 z' @F@k6  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 =73wngw  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 7C=t19&R'  
Tw$lakw  
模拟任务：反射光束整形设置 rxO|k0x^C  
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。 DF<_
Ns!  
b1-JnEc  
h<[o;E  
Xcb\N  
,{$:Q}`  
US-P>yF  
规格：像散激光光束 "[76>\'H  
uCx\Bt"VI  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 k z<We/  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 vO 3fAB  
7yK >  
13Q|p,^R  
M^a QH/=:"  
~Os~pTo  
QHOem=B  
规格：柱形抛物面反射镜 P7Kp*He)  
                         K*>lq|iu  
 有抛物面曲率的圆柱镜 bEbnZ<kz*  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 bPWIf*3#  
 曲率半径等于焦距的两倍 c8
A //  
qm2  
uk16  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 0GEK xV\F  
A#*0mJ8IK  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 @wbV@  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） (h%!Kun  
 离轴角决定了截切区域 sa{X.}i%E  
~!\n
 
规格：参数概述（12° x 46°光束） *G^QS"%  
KnKV+:"  
   -W2 !_  
1s .Ose  
光束整形装置的光路图 !>+YEZ"  
{x s{  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 6s@'z<Ct  
 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。 F|9 W7  
s+l)Q  
反射光束整形系统的3D视图 t0(1qFi  
; 7k@_  
6Dwj^e0  
1d,;e:=j  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 \^i/:  
 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）。 a2/!~X9F  
WbB0{s  
详述案例 B/7
c`V  
%Sf%XNtu  
模拟和结果 NLf6}  
jNBvy1  
结果：3D系统光线扫描分析 4vQ]7`I.f  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 8wMu^3r  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 h.(CAm%Y7  
_Gvn1"l  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd { <f]6  
0j@gC0xu)|  
使用参数耦合来设置系统 v@(Y:\>  
Ey4%N`H-^  
自由参数： Ksr.'  
 反射镜1后y方向的光束半径 )5Mf,  
 反射镜2后的光束半径 ]lV\D8#  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）  E|P  
 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。 3=SIIMp7=  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 bxLeQWr6  
 74i  
Y%m^V?k  
=8#$'1K,v  
>VIb|YA  
?VaWOwWI  
自由参数： qVjl8%)  
 反射镜1后y方向的光束半径 {]ie|>'=C  
 反射镜2后的光束半径 lC):$W  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） /i.3v45t"  
 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。 H=,0p  
LX5, _`B  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 OFH!z{*  
aAJ'0xnj  
SFP%UfM<  
结果：使用GFT+进行光束整形 f}qR'ognUu  
{kVhht]X  
T$
)N2]FE  
\qk+cK;+  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 x=]PE}<E  
`_M*2(rt  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 <O+T4.z  
D_VAtz  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 %+0 7>/  
e!BablG[  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： 4K{<R!2I  
{\u=m>2U|  
9OI&De5?=V  
(^,4{;YQ5  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd vK@t=d  
wd86 y  
结果：评估光束参数 g<d#zzP"T  
,-({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。 1FC' iGI  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 TX/Ng+v S  
gN./u   
^6c=[N$aW  
 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。 U5_1-wV  
 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） )}`3haG  
&T"X kgU5  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd $d:>(_p=A  
HH`G/(a  
光束质量优化 n\CQ-*;l  
(`nn\)  
 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。 sA!
,)'6  
 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）。 #I]5)XT  
<S/`-/=2  
结果：光束质量优化 B-EVo&.  
!>olD_  
 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。 KNH.4A ,  
D`|.%  
SY: gr  
[ vWcQ6m  
 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。） _hK83s4  
|gl~wG1@  
+aa( YGL  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd  ^##tk
  
OanHG  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 EUxkYl  
MJxTzQE  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 RfM uWo:  
<[N"W82p  
 这意味着参数变化是的正态 `F)Q=  
EKwA1,Xz  
7x,c)QES`  
   Q $wa<`  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 4d\"gk  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 [5KzawV  
N001c)*7Q  
~Z ,b
d$  
mn5
"kYy?
 
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run T!GX^nn*O  
.'+*>y!  
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） )@%wj;>a  
F.nJXZnJ  
)T4%}$(  
oN0p$/La  
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。 Ib$*w)4:  
|(mr&7O  
总结 y(I_ 6+B^  
}=d]ke9_  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。  rkp 1tv  
1.模拟 ulcm  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Cpyv@+;D  
2.研究 /hC[>t<  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 F0cde  
3.优化 ) ?AlQA  
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。 5P?7xRA  
4.分析 caK<;bmu-  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 2(s+?n.N  
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);eYC"@  
s`:>"1\|  
参考文献 /U|>  
[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). ;B8#Nf  
=N_7DT  
进一步阅读 vrS)VJg`  
QFg,pTj  
进一步阅读 41pk )8~pt  
 获得入门视频 6CKWKc  
- 介绍光路图 (WW*yv.J  
- 介绍参数运行 [# X:!xcl  
 关于案例的文档 i\4Qv"%  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens &}TfJ=gj  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens Mn<G9KR  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing Pc=S^}+  
- 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