[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） ;SzOa7  
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  `x"0  
ny5= =C{9  
"hU'o&  
简述案例 *'+OA
6  
?Uzs^rsb  
系统详情 XelY?Ph,,  
 光源 V8>%$O sw  
- 强象散VIS激光二极管 p~h=]o'i  
 元件 L&qzX)  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） {m9OgR5U  
- 具有高斯振幅调制的光阑 VVdgNT|}W  
 探测器 Yn,dM~|Cc
 
- 光线可视化（3D显示） DJeP]  
- 波前差探测 v7O
&9a;  
- 场分布和相位计算 uG\+`[-{0  
- 光束参数（M2值，发散角） H#8]Lb@@:  
 模拟/设计 9YMUvd,u  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 [8/E ;h  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： br"p D-}  
 分析和优化整形光束质量 _9E7;ew  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 XljiK8q;%  
N}wi<P:*)  
系统说明 J<:qzwh  
m,3?*0BMp=  
yzhr"5_  
模拟和设计结果 " *xQN "F  
`LL#Aia  
数值探测器结果 z3b8  
B`a5%asJn  
R|h9ilc  
3ug{1M3  
$kJvPwRO  
总结 E.?|L-fy  
CD(2A,u)/  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 -p`hevRr  
1.模拟 xaWd\]UF  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 7t\W{y  
2.评估 pYJv|`+  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 8^;[c  
3.优化 3|RfX  
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。 :{C#<g`  
4.分析 _s!(9  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 @*L^Jgn  
0@1AH<  
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。 w-[WJ:2.  
?gjM]Ki%:  
详述案例 Wx~0_P  
w:Fes  
系统参数 5<C
u-
X  
gNl@T  
案例的内容和目标 7ZS5u+o  
,T_HE3K  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。
V4f~#Tp  
F<X)eO]tk  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 YY]JjMkU  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 r ,|T@|{  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 It!%/Y5  
q~.\NKc  
模拟任务：反射光束整形设置 R>[2}R30  
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。 |~k=:sSz
{  
URm
x8=q  
bAt%^pc=y  
}u5;YNmXxF  
Fs<kMT  
~\}%6W[2  
规格：像散激光光束 83:m7;  
A/%K=H?  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 n NZq`M  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 B+eB=KL  
=&xamA)  
S #%'Vrp  
.Ff;St  
md_aD  
Ps7(4%  
规格：柱形抛物面反射镜 j% !   
                         m!a<\0^  
 有抛物面曲率的圆柱镜 %I;ej{*c  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 %Y:'5\^lC  
 曲率半径等于焦距的两倍 &6FRw0GX  
#z-6mRB  
fyT:I6*  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） rPkV=9ull,  
#JeZA0r5  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 KWCA9.w4q  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） AnG/A!G  
 离轴角决定了截切区域 CT3wd?)z`  
"T?%4^:g  
规格：参数概述（12° x 46°光束） o;M"C[  
fyYT#r  
   C0zE<fl  
k# ZO4  
光束整形装置的光路图 DY^q_+[V  
8V`r*:\  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 Yq4_ss'nB  
 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。 BQ,]]}e43z  
tx}{E<\>$  
反射光束整形系统的3D视图 k]`I
3>/L  
+dSe"W9  
"]JE]n}Ulg  
]zmY]5  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ko@I]
gi2  
 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）。 ~0>g 4 D.  
XB
UO  
详述案例 5@P2Z]Q  
Ex^7`-2,B  
模拟和结果 F'*y2FC  
Ti#2D3  
结果：3D系统光线扫描分析 *5hg}[n2  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 zPWG^  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 7ml,  
s[nXr  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd )}9Ef"v|  
<`9Q{~*=t  
使用参数耦合来设置系统 D@!`b6
  
-wvrc3F  
自由参数： R"];`F(#  
 反射镜1后y方向的光束半径 1,T8@8#  
 反射镜2后的光束半径 xV}E3Yj2#  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） l131^48U  
 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。
(WCpaC  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 K;,n?Q w  
:@KWp{ D7  
W=&\d`><k  
A/lxXy}D  
{kD|8["Ie'  
`8\_ ]w0  
自由参数： <QQgOaS`2  
 反射镜1后y方向的光束半径 &7,Kv0j}  
 反射镜2后的光束半径 z,87;4-  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） s7tNAj bgD  
 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。 %g^dB M#  
|t1D8){!  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 6vQAeuz<Fq  
;}#t
m9S;  
6P;IKOv^  
结果：使用GFT+进行光束整形 eY"y[  
"KcSOjvJ  
-8HIsRh  
q*{i/=~  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ZtlF]k:MV  
sHm|&  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 'M=(
5p  
2/PaXI/Z  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ) 2wof(  
(^ZC8)0i(  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： QzT)PtX  
|fYNkD8z1  
57
Y(_h:  
Se9I1~mX  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd y-cRqIM  
_*0!6?c  
结果：评估光束参数 <:-|>R".  
F[ N{7C3  
 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。 )a.w4dH  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 $2A%y14  
1`Cr1pH  
(~?P7RnU%  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 L)H7~.Dj  
 M2值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M2值是由光束偏离引起的） G5|xWeNgA  
sg;Gk/]  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd oJ ,t]e*q=  
eh2w7@7Q  
光束质量优化 \om$%FUP  
B'"C?d<7  
 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。 pa N )t  
 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）。 A-aukJg9  
;hA>?o_i(  
结果：光束质量优化 , ?WTX  
/ *Z(;-  
 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。 K%P$#a  
1"RO)&  
qXR>Z=K<  
9n]zh-  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） AH{]tE  
C|5eV=f)P  
` :eXXE  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 1Y$ gt  
6AKH0t|4  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 ?k<i e2  
(s4w0z  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 zGHP{a1O7  
c
x_FtD  
 这意味着参数变化是的正态 v~[=|_{  
;Xk-hhR  
H{ p   
   ^8Tq0>n?  
 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。 L,*2tJcC<  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 ,-myR1}  
JaoRkl?
F  
!FX0Nx=oi  
d@#!,P5`  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run Rx<m+=  
AWsO?|YT  
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） !*HH5qh6  
*kY\,r&!P  
k"Y9Kc0XoU  
j$'L-kK+  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 -D?T0>  
J3KY?,g3O_  
总结 oXRmnt  
+ObP[F  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 .0kltnB  
1.模拟 Eo 5p-  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 c"Kl@[1\~  
2.研究 /)sA{q 4  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 "aIiW VQ  
3.优化 A&*l
b7X  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 _eb:"(m  
4.分析 _U(b  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 fDt#<f 4;  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 8!2NZOZOS  
|=
L~>G  
参考文献 43-mv1>.  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). DXu#07\  
,*$L_itL  
进一步阅读 6SI`c+'@5  
NBEcx>pma  
进一步阅读 N7Vv"o  
 获得入门视频 M]4qS('[  
- 介绍光路图 Z 6KM%R  
- 介绍参数运行 SxMmy  
 关于案例的文档 Wew'bj   
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens s kC*  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens /tR@J8pV  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 1"?3l`i  
- 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