VirtualLab运用：反射光束整形系统

光束传输系统（BDS.0005 v1.0）

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

 

简述案例

 

系统详情

光源

-强象散VIS激光二极管

元件

-光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜）

-具有高斯振幅调制的光阑

探测器

-光线可视化（3D显示）

-波前差探测

-场分布和相位计算

-光束参数（M2值，发散角）

模拟/设计

-光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算

-几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）：

分析和优化整形光束质量

元件方向的蒙特卡洛公差分析

 

系统说明

 

模拟和设计结果

 

 

场（强度）分布                 优化后

数值探测器结果

 

总结

 

实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。

1.模拟

使用光线追迹验证反射光束整形装置。

2.评估

应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。

3.优化

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。

4.分析

通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。

 

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。

 

详述案例

 

系统参数

 

案例的内容和目标

 

在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。

 

 

目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。

之后，研究并优化整形光束的质量。

另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。

 

模拟任务：反射光束整形设置

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。

 

 

 

规格：像散激光光束

 

由激光二极管发出的强像散高斯光束

忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动

 

规格：柱形抛物面反射镜

             

有抛物面曲率的圆柱镜

应用用锥形常数.-1来实现锥形界面

曲率半径等于焦距的两倍

 

 

规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型）

 

对称抛物面镜区域用于光束的准直

从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型）

离轴角决定了截切区域

 

  

规格：参数概述（12° x 46°光束）

 

  

 

光束整形装置的光路图

 

 

由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。

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。

 

反射光束整形系统的3D视图

 

光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。

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）。

 

详述案例

 

模拟和结果

 

结果：3D系统光线扫描分析

首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。

使用光线追迹系统分析仪进行分析。

 

file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd

 

使用参数耦合来设置系统

自由参数：

反射镜1后y方向的光束半径

反射镜2后的光束半径

视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）

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。

对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。

 

 

自由参数：

反射镜1后y方向的光束半径

反射镜2后的光束半径

视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）

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。

如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。

 

 

结果：使用GFT+进行光束整形

 

 

 

现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。

 

 

由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。

 

不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。

 

产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差：

 

file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd

 

结果：评估光束参数

 

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。

在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。

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。

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）

 

 

file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd

 

光束质量优化

 

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。

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）。

 

结果：光束质量优化

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。

 

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。）

 

file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd

 

反射镜方向的蒙特卡洛公差

 

对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。

 

这意味着参数变化是的正态

 

 

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。

 

这意味着，波前对对齐误差很敏感。

 

file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run

 

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）

 

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。

 

总结

 

实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。

1.模拟

通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。

2.研究

为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。

3.优化

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。

4.分析

通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。

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。