光束傳輸系統(tǒng)（BDS.0004 v1.0）
簡(jiǎn)述案例
光源
- 像散光紅外激光二極管
元件
- 用于準(zhǔn)直光束的折射透鏡系統(tǒng)
- 生成貝塞爾光束的錐透鏡
- 聚焦非球面透鏡
探測(cè)器
- 點(diǎn)列圖
- 聚焦區(qū)域的1D和2D研究
- 焦深（DOF）
- 光束參數(shù)
模擬/設(shè)計(jì)
- 光線追跡：初始焦點(diǎn)位置探測(cè)
- 場(chǎng)追跡：計(jì)算貝塞爾光束實(shí)際的形狀和焦深
系統(tǒng)描述
模擬&設(shè)計(jì)結(jié)果
其他VirtualLab Fusion特征
在此案例中，你將受益于以下所選的特性：
焦區(qū)域分析：
- 剖面線分析器
- 參數(shù)運(yùn)行文件
- HWxM探測(cè)器
得到不同有益的信息/說(shuō)明性的結(jié)果等
- 光束質(zhì)量：光束尺寸和形狀
- 焦深
- 不同2D和3D圖樣，顯示了光束沿著光軸在焦區(qū)域傳播
總結(jié)
在這個(gè)例子中，它表明了如何通過(guò)一對(duì)錐透鏡來(lái)減小焦斑尺寸以及增加焦深，。
分析貝塞爾光束在焦區(qū)域的傳播。
VirtualLab 能夠進(jìn)行對(duì)特殊的元件，如錐透鏡生成的光束，能夠進(jìn)行物理光學(xué)，如光束的輪廓和聚焦分析。
詳述案例
系統(tǒng)參數(shù)
案例內(nèi)容
這個(gè)應(yīng)用案例演示了通過(guò)錐透鏡對(duì)生成“非衍射”（“non-diffractive”）貝塞爾光束以減小焦斑尺寸并增加焦深。
模擬任務(wù)
規(guī)格：非準(zhǔn)直輸入激光光束
與BDS.0001類似
單模紅外二極管激光器光源
規(guī)格：準(zhǔn)直透鏡和之后的光
BDS.0001中的透鏡
其后的光束參數(shù)
規(guī)格：錐透鏡對(duì)
錐透鏡對(duì)由兩個(gè)相同的錐透鏡組成。
張角通常是定義為逆時(shí)針。
第二個(gè)錐透鏡沿光軸放置，并平行于第一個(gè)錐透鏡，兩者的相對(duì)距離為20.3672mm。張角為+20°。因此錐透鏡對(duì)起到類似一個(gè)1.0擴(kuò)束起的作用。
規(guī)格：非球面聚焦透鏡
從目錄的非球面標(biāo)簽下選擇一個(gè)平凸非球面透鏡。
模型：ALL12-25-S-U(A12-25LPX)
在BDS.0002中，當(dāng)波長(zhǎng)為1064nm的時(shí)候，其后焦距為22.576mm
詳述案例
模擬&結(jié)果
光線追跡：分析光束焦點(diǎn)
file used: BDS.0004_OptimizeFocalBeamSize_01_RayTracing.lpd
場(chǎng)追跡：計(jì)算衍射區(qū)中的場(chǎng)
幾何場(chǎng)追跡+（GFT+）引擎在焦區(qū)域以為計(jì)算光的傳輸是準(zhǔn)確的。
實(shí)際上，由于幾何方法在衍射區(qū)域是無(wú)效的，則當(dāng)光束傳輸受衍射效應(yīng)影響的時(shí)候，必須停止使用GEF+。而在受衍射影響的位置（場(chǎng)重構(gòu)處）需要使用一種更合適的傳輸技術(shù)。
使用經(jīng)典場(chǎng)追跡技術(shù)可以將此處的重建光場(chǎng)傳播到焦區(qū)域（=衍射區(qū)）。
file used: BDS.0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+.lpd
場(chǎng)追跡：計(jì)算重建平面上的場(chǎng)
為了計(jì)算衍射區(qū)內(nèi)的場(chǎng)，在離非球面18.5mm處，即幾何區(qū)域的終結(jié)處，使用了幾何場(chǎng)追跡虛擬屏探測(cè)器。
光作用于錐透鏡的非連續(xù)性頂點(diǎn)會(huì)干擾了場(chǎng)數(shù)值的重構(gòu)，因此必須使用一個(gè)光闌阻止此效應(yīng)。
file: BDS.0004_OptimizeFocalBeamSize_02_GFT+.lpd
使用場(chǎng)追跡計(jì)算衍射區(qū)域的光傳輸
通過(guò)經(jīng)典場(chǎng)追跡，運(yùn)用獲得的重構(gòu)場(chǎng)以計(jì)算衍射區(qū)域的光場(chǎng)分布。
為了實(shí)現(xiàn)此目的，生成一個(gè)新的LPD，以將重構(gòu)場(chǎng)放置在存儲(chǔ)場(chǎng)元件（Stored Field Component）中。
然后可以添加各種元件，如光學(xué)組件或探測(cè)器，經(jīng)典場(chǎng)追跡為場(chǎng)提供了更準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。
此LPD可以用于優(yōu)化和使用自動(dòng)化工具，例如參數(shù)運(yùn)行（Parameter Run），通過(guò)改變到探測(cè)器距離來(lái)研究光束焦區(qū)域。
file: BDS.0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFT.lpd
在XZ-平面上研究焦區(qū)域
先前的LPD是用來(lái)執(zhí)行一個(gè)參數(shù)運(yùn)行，為了改變焦點(diǎn)和重建平面之間的距離——從3.8mm到4.3mm（對(duì)應(yīng)于從22.3mm和22.8mm之間的一個(gè)非球面距離）以來(lái)研究焦區(qū)域。
兩圖都顯示了焦區(qū)域內(nèi)沿x-軸的光強(qiáng)分布（上圖為BDS.004，下圖為BDS.002）。
相比之下，錐透鏡對(duì)在XZ-平面提供了一個(gè)光束更小的焦點(diǎn)。
file used: BDS.0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegion.run
在YZ-平面上研究焦區(qū)域
兩圖都顯示了焦區(qū)域內(nèi)沿y-軸的光強(qiáng)分布（上圖為BDS.004，下圖為BDS.002）。
相比之下，錐透鏡對(duì)在YZ-平面提供了一個(gè)光束更小的焦點(diǎn)。
file used: BDS.0004_OptimizeFocalBeamSize_04_InvestiateFocalRegion.run
焦區(qū)域內(nèi)的光束寬度
為了對(duì)焦區(qū)域的光束進(jìn)行一個(gè)更詳細(xì)的評(píng)估，分別計(jì)算了包含（BDS.0004）和不包含（BDS.0002）錐透鏡對(duì)光學(xué)系統(tǒng)焦區(qū)域光束的半高寬（HWHM），并使用了高斯TEM00模式進(jìn)行對(duì)比，如下圖所示。
通過(guò)使用錐透鏡對(duì)，可以很明顯的看出聚焦光斑尺寸和聚焦深度得到了明顯的提高。
file: BDS.0004_OptimizeFocalBeamSize_05_HWHMxyAppEx0002&0004.da
理論上，錐透鏡產(chǎn)生理想的貝塞爾光束。這些光束有在焦區(qū)域內(nèi)沿著一定的具有距離“非衍射”的特性。
因此，與相似光束尺寸高斯光束相比，貝塞爾光束在焦區(qū)域內(nèi)有更高的焦深和較小的發(fā)散角。
為了對(duì)比焦深，將其定義為距離，即束腰（定義為HWHM）與因子√2的乘積。
為了比較焦深，計(jì)算了高斯TEM00模以作為參考，所有光束的焦面上，其光束束腰與貝塞爾光束束腰類似。
作為對(duì)比，計(jì)算處的兩者的束腰和焦深在下表中列出。
請(qǐng)注意，由于進(jìn)入錐透鏡的光束是一種像差和像散高斯光束，則最終生成的光束不可能是理想貝塞爾光束，。
有趣的是，通過(guò)使用錐透鏡對(duì)，光束的像散特性在焦區(qū)域得到了明顯的提升。這可以在光束y剖面的參數(shù)上看出來(lái)。
此外，相比于有相似束腰的高斯光束，生成的貝塞爾光束的焦深增加了4倍。
透鏡后22.576mm處焦斑的強(qiáng)度
file used: BDS.0004_OptimizeFocalBeamSize_03_FieldInFocalRegionCFT.lpd
其他VirtualLab Fusion特征
在此案例中，你將從以下選擇的特征中獲益
焦區(qū)域分析：
- 剖面線探測(cè)器
- 參數(shù)運(yùn)行文件
- HWxM探測(cè)器
得到不同的信息/說(shuō)明性結(jié)果等
- 光束質(zhì)量：光束尺寸和形狀
- 焦深
- 不同2D和3D圖樣，顯示了光束沿著光軸在焦區(qū)域傳播
總結(jié)
此案例顯示了通過(guò)如何使用錐透鏡對(duì)來(lái)減小聚焦光斑尺寸并增加焦深。
分析了貝塞耳光束在焦區(qū)域的傳播。
VirtualLab 能夠進(jìn)行對(duì)特殊的元件，如錐透鏡生成的光束，能夠進(jìn)行物理光學(xué)，如光束的輪廓和聚焦分析。
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參考文獻(xiàn)
[1] D. McGloin, K. Dholakia, “Bessel Beams: diffraction in a new light”, Contemporary Physics, Vol. 4615 – 28, 2005.
[2] Frank Wyrowski, Huiying Zhong, Site Zhang, Christian Hellmann, „Approximate solution of Maxwell’s equations by geometrical optics“, Proc. SPIE 9630, Optical Systems Design 2015: Computational Optics, 963009, 2015.
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入門視頻：
介紹光路圖
介紹參數(shù)運(yùn)行
介紹參數(shù)優(yōu)化
關(guān)于這個(gè)案例的文檔：
BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens
UseCase.0047: Settings and Result Displays of the Ray Tracing Engine
UseCase.0065: Usage of the Parameter Run Document
UseCase.0083: High NA Lens System - Analysis by Geometric Field Tracing Plus
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