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課程四十六：一個激光二極管光束整形器 這節課將展示如何設計從一個激光二極管到一個圓形準直光束的光學轉換器。我們從一個典型的激光二極管的規格開始，它在 X 方向和 Y 方向上有不同的發散角，設計任務比較復雜。

<p><strong>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;激光加熱及激光焊接非常常見，，如何仿真激光焊接過程的熔深及路徑上的熱應變呢？本貼以激光加熱為例，模擬高斯分布熱源勻速經過兩塊金屬體接縫處的場景。本例還適用于激光加熱，粒子轟擊加熱等以移動的高斯熱源加熱的場景。

研究發現盡管對于大多數光束整形器來說，DOE的影響可以忽略，但對于諸如基于光柵的DOE之類的大角度分束器，可以看到顯著的且不期望的色散效果。 圖1. 對于m = 1且輸入光束直徑為4 mm的渦旋透鏡元件（a），對輸入800 nm高斯脈沖得到的結果（b）和輸入100 fs USP激光脈沖得到的結果（c）進行比較，沒有明顯差異。

VirtualLab仿真和實驗實踐指出渦旋透鏡有著類似結果，并幫助理解了沒有零階衍射以及光斑大小、形狀沒有變化的現象。 Top Hats Top-hat光束整形器是用來將一束近高斯入射激光光束在一個特定的工作平面轉換到一個均勻性強度（平滑）的圓形，矩形，正方形，線形或其他有銳邊的形狀。

><br></p><p class="ql-align-center"><strong style="color: rgb(51, 51, 51);">2.1設計要求</strong></p><p class="ql-align-center"><br></p><p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(51, 51, 51);">下面是一個衍射透鏡設計激光光束整形器的指標

其仿真流程如下：物理模型搭建與仿真：結合論文中液晶電光效應相關公式，通過專業設計工具建立LC-SLM模型、定義核心物理參數，完成動態調制仿真與性能優化，驗證設計合理性。（2）動態整形的仿真價值與應用效果動態性能可視化：可生成LC-SLM動態相位調制的仿真視頻，直觀呈現不同電壓下光束形狀的變化過程，驗證輸出光束與預定目標光斑99.83%的相似度。

激光二極管準直鏡案例分析簡介激光二極管因發射面物理尺寸限制，輸出光束發散角較大，嚴重制約其在激光測距、光通信等需遠距離傳輸或精確聚焦場景的應用。本項目旨在通過 OAS 光學軟件構建仿真模型，設計一款適配 0.635μm 波長的準直鏡系統，將發散光束轉換為平行光束，核心指標為降低遠場發散角以提升光束準直性，為后續工業應用提供光學設計依據。

LLNL 材料科學部的一個研究團隊在 Manyalibo Matthews 的帶領下，專注于研究修復這些光學器件的創新技術。在仿真的幫助下，他們正在探索紅外脈沖微整形、熱退火和激光化學氣相沉積（L-CVD）等方法。多物理場仿真提供了一種解決方案 仿真研究的第一步是了解熔融石英在不同溫度下暴露在激光束下的行為。

在這個平面中，我們簡單地繪制三個矩形來定義晶圓和兩個沉積層，并為這三個矩形分配不同的材料屬性。這樣，幾何形狀和材料就定義好了，我們可以專注于物理場的研究。 首先，沿著光束路徑穿過自由空間，從晶圓上方的激光源沿著 z 軸向下。我們有一個 40W、700nm 波長的激光器，并且光束具有標準偏差為 1.5mm 的高斯輪廓。

模擬任務：LCS中的鏡像差為了研究鏡像差，討論一個基于固定轉向鏡和一個掃描微鏡器件的激光掃描系統（例如MEMS）。鏡像差將假定為澤尼克多項式。 ?例如，將演示彗差（7 3 1）和三葉形（9 3 3）形狀的像差。 4. 規格：準直激光光束高斯光束由激光元件的單模激光二極管發射出。 5.

剪切干涉案例分析簡介剪切干涉技術作為波前檢測領域的關鍵手段，憑借無需參考光路、結構緊湊、抗干擾能力強等優勢，在高精度光學系統裝調、激光光束質量評估及微納結構檢測中占據重要地位。OAS 光學軟件作為集成化的光學系統設計與仿真平臺，可通過三維建模、光線追跡及物理光學分析等功能，實現剪切干涉過程的全流程化模擬，為技術方案驗證與參數優化提供高效解決方案。

1.模擬使用光線追跡驗證反射光束整形裝置。2.評估應用幾何場追跡+(GFT +)引擎來計算場分布和評價光束參數。3.優化利用一個具有高斯形狀孔徑函數的光闌和經典場追跡引擎來優化M2參數。4.分析通過應用蒙特卡羅公差來分析方向偏差的影響。 對于復雜的光束整形裝置，特別是離軸系統，可以使用VirtualLab來進行高效的模擬和分析。

?調整反射鏡孔徑直徑和形狀來滿足您的需求。?關于如何導出表面數據的更多信息，請參見tutorial 144.01。 結論 ?VirtualLab Fusion可以設計衍射光束整形元件來將單模激光光束塑造成任意二維強度分布。?可以通過衍射透射DOEs以及反射DOEs進行光束整形。

3 結語對激光增材制造的過程進行了仿真, 主要針對其中一個節點進行各參量隨時間變化的分析。發現該過程中存在類似多次回火的加熱情況, 各方向由于結構不同其溫度梯度差異巨大。對稱位置XY方向的變形較為一致, 但是各方向剛度不同最終會導致變形量分布不同。激光抬升處的各項性能均差于其他區域, 加工過程及冷卻過程中的收縮現象會導致出現較大的有效應力和屈服應力。

? 調整反射鏡孔徑直徑和形狀來滿足您的需求。? 關于如何導出表面數據的更多信息，請參見tutorial 144.01。 結論 ? VirtualLab Fusion可以設計衍射光束整形元件來將單模激光光束塑造成任意二維強度分布。? 可以通過衍射透射DOEs以及反射DOEs進行光束整形。? 通過對透射DOE的光學函數進行數值計算從而獲得反射DOEs的光學函數。

衍射分束器的仿真衍射光束整形器衍射光束整形器會改變具有高斯強度分布的激光光束的相位分布和強度，也就是說，光束的亮度在中心最強，向邊緣平滑遞減，呈現出曲線分布。衍射光束整形器可調控輸入光束的特性，以改變輸出光束的形狀。輸出光束通常為環形或矩形，但也可以獲得其他光束幾何結構輪廓。衍射光束整形器可用于光刻、全息照明、光學傳感器、生物醫學應用和激光材料加工等領域。

這有點類似MATLAB中的函數封裝，你不必知道這個盒子里面有什么東西，你總是可以把它當作一個線性系統，輸入一個參數，從而得到另外一個參數。在實際的仿真過程中，對于復雜系統，這么做是十分方便的。圖6. 將兩個CL合成為一個Lens System利用光線追跡引擎可以對柱透鏡組進行光線追跡分析，從圖7可以看到在一個面上沒有聚焦效果，在兩一個面則具有聚焦效果。圖7.

當然，模擬軟件可以解決所有這些問題。除了核心直徑，軟件還需要提供所有通道的橫向強度分布信息。像我們的產品RP Fiber Power這樣的靈活軟件提供了不同的選項：根據情況，需要對橫向強度分布進行不同的定義。? 假設具有給定光束半徑的高斯或頂帽輪廓是經常選擇的選項。（通常，光纖供應商會指定可在此處使用的模式尺寸。）? 還可以根據數學表達式或列表值定義任意強度分布。

VirtualLab Fusion：基本工具箱+衍射工具箱 1.建模任務 ? 這個案例演示了設計一個理想化微結構的光束整形鏡。? 光束整形鏡產生一個任意相位調制（非離散相位級次）。? 反射鏡將高斯激光束整形成一個圓形高帽。? 這個案例將演示計算反射鏡的光學函數。? 在開始此案例之前，我們迫切建議您閱讀案例LBS.001和545。

它們通常以測量在不同位置的光束輪廓。基于不同測量原理的光束輪廓儀，例如 CCD 和 CMOS 相機或旋轉刀口或狹縫，在光束半徑和光功率的允許范圍、波長范圍、對偽影的靈敏度等方面有很大差異。例如，狹縫或刀口掃描儀通常可以處理比相機更高的功率，并能精確地處理近似高斯形狀的光束，而基于相機的系統通常更適合復雜的光束形狀。對于功率隨時間變化的光束，例如對于 Q 開關激光器的輸出，其他問題也開始起作用。