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摘要 在天文望遠鏡中，經(jīng)常使用激光導星來校正大氣畸變。這種人造恒星圖像通常由高功率激光束在幾十公里之外拍攝。為了精確設計產(chǎn)生甚至控制激光導星大小的光學系統(tǒng)，必須考慮激光束的衍射效應。在這個例子中，我們展示如何分析和設計一個激光導星的無焦系統(tǒng)。

在天文望遠鏡中，經(jīng)常使用激光導星來校正大氣畸變。這種人造恒星圖像通常由高功率激光束在幾十公里之外拍攝。為了精確設計產(chǎn)生甚至控制激光導星大小的光學系統(tǒng)，必須考慮激光束的衍射效應。在這個例子中，我們展示如何分析和設計一個激光導星的無焦系統(tǒng)。

激光導星無焦系統(tǒng)的分析與設計 在VirtualLab Fusion中，我們演示了如何分析無焦系統(tǒng)以生成激光導星，并進一步優(yōu)化系統(tǒng)以控制人造星的大小。 示例中的傅里葉變換設置 傅立葉變換是VirtualLab Fusion中最基本的技術之一，它連接了空間域和空間頻域。

在這個例子中，我們展示如何分析和設計一個激光導星的無焦系統(tǒng)。

激光導星無焦系統(tǒng)的分析與設計 在VirtualLab Fusion中，我們演示了如何分析無焦系統(tǒng)以生成激光導星，并進一步優(yōu)化系統(tǒng)以控制人造星的大小。 示例中的傅里葉變換設置 傅立葉變換是VirtualLab Fusion中最基本的技術之一，它連接了空間域和空間頻域。

建模任務 #1-簡單的無焦系統(tǒng) 激光無焦系統(tǒng)分析 簡單無焦系統(tǒng)設計w0?=?0.25?mm（固定） 簡單無焦系統(tǒng)設計w0?=1.5mm（固定） 簡單無焦系統(tǒng)設計w0?=1.5mm（固定） 設計任務#2–具有散焦的無焦系統(tǒng) 具有散焦的無焦系統(tǒng)設計

建模任務 #1-簡單的無焦系統(tǒng)激光無焦系統(tǒng)分析簡單無焦系統(tǒng)設計w0?=?0.25?mm（固定）簡單無焦系統(tǒng)設計w0?=1.5mm（固定）簡單無焦系統(tǒng)設計w0?=1.5mm（固定）設計任務#2–具有散焦的無焦系統(tǒng)具有散焦的無焦系統(tǒng)設計具有散焦的無焦系統(tǒng)設計設計任務#3–具有輸入光束束腰偏移的無焦系統(tǒng)具有束腰偏移的無焦系統(tǒng)設計

建模任務 #1-簡單的無焦系統(tǒng)?激光無焦系統(tǒng)分析 簡單無焦系統(tǒng)設計w0?=?0.25?mm（固定） 簡單無焦系統(tǒng)設計w0?=1.5mm（固定）?簡單無焦系統(tǒng)設計w0?=1.5mm（固定） 設計任務#2–具有散焦的無焦系統(tǒng) 具有散焦的無焦系統(tǒng)設計具有散焦的無焦系統(tǒng)設計

建模任務 #1-簡單的無焦系統(tǒng)激光無焦系統(tǒng)分析簡單無焦系統(tǒng)設計w0?=?0.25?mm（固定）簡單無焦系統(tǒng)設計w0?=1.5mm（固定）簡單無焦系統(tǒng)設計w0?=1.5mm（固定）設計任務#2–具有散焦的無焦系統(tǒng)具有散焦的無焦系統(tǒng)設計具有散焦的無焦系統(tǒng)設計設計任務#3–具有輸入光束束腰偏移的無焦系統(tǒng)

激光導星的無焦系統(tǒng)利用快速物理光學軟件VirtualLab Fusion，我們演示了用于生成激光引導星的無焦系統(tǒng)的分析，并進一步優(yōu)化了系統(tǒng)以控制人造恒星的大小。

在第二個案例中，我們根據(jù)L.Clermont等人的工作“用于自適應光學系統(tǒng)的激光引導星設計”，模擬了激光導星的不同無焦系統(tǒng)。 為了分析此類系統(tǒng)的性能，快速物理光學建模和設計軟件VirtualLab Fusion為光學工程師提供了多種工具，從基于光線追跡的快速系統(tǒng)可視化到光的全電磁物理光學傳播，包括衍射現(xiàn)象。 對天文現(xiàn)象的系統(tǒng)觀測是最古老的光學形式之一。

另外兩種模式的默認評價函數(shù)也有所不同：在聚焦系統(tǒng)中評價光斑半徑，而在無焦系統(tǒng)中評價角分布。波前差在兩種模式下都可以使用，其參考波前是球面還是平面取決于系統(tǒng)使用的是聚焦模式或是無焦模式。在本文中我們將設計兩個簡單系統(tǒng)：激光擴束系統(tǒng)，一個完全的無焦系統(tǒng)；以及柱面系統(tǒng)，它在其中一個方向上是聚焦系統(tǒng)而在另外一個方向上是無焦系統(tǒng)。

注意：雖然本設計并非掃描共焦顯微鏡，但示例文件中包含的一組用于設計掃描共焦顯微鏡的激光準直元件，可以作為將本系統(tǒng)改為掃描共焦顯微鏡系統(tǒng)的參考范本。設計激光聚焦準直系統(tǒng)我們需先在序列模式中設計激光聚焦準直系統(tǒng)，示例系統(tǒng)的激光參數(shù)如下： 首先創(chuàng)建聚焦系統(tǒng)元件的表面，材料可以選擇任意一種玻璃。僅把表面曲率作為變量，將玻璃材料求解類型設置為替換。

背景介紹在顯微成像、激光加工、光存儲與單分子探測等應用中，高數(shù)值孔徑物鏡承擔著“把光壓縮到極小空間”的關鍵任務。物鏡聚焦后的焦斑尺寸、形狀、能量分布以及偏振特性，直接決定系統(tǒng)的分辨率、加工精度和探測靈敏度。因此，如何準確分析高數(shù)值孔徑物鏡的焦斑，已成為現(xiàn)代光學設計中的核心問題。本文結合VirtualLab Fusion的仿真思路，對這一典型案例進行簡要分析。

激光掃描系統(tǒng)（LSC.0001 v1.0）使用非球面透鏡對激光掃描系統(tǒng)進行性能分析應用案例概述 系統(tǒng)細節(jié) 光源- 綠光二極管元件- 雙軸振鏡掃描儀- 非球面透鏡探測器- 場曲和畸變- 光束強度剖面- 焦點區(qū)域探測器- 光束參數(shù)模擬/設計- 光線追跡：分析場曲和畸變，場追跡引擎的探測器的定位

10.6um 兩鏡間距 200mm左右 3 設計方案選擇由于激光波長較長，出射光束直徑較大，大口徑透鏡材料價格昂貴，反射系統(tǒng)便于冷卻，同時為了避免中心遮攔對激光能量的損失,提高系統(tǒng)的發(fā)射能量，故高功率激光擴束系統(tǒng)選擇離軸無焦卡塞格林系統(tǒng)進行擴束。

激光掃描系統(tǒng)（LSC.0002 v1.0）應用案例概述 系統(tǒng)細節(jié) ? 光源– 綠光二極管? 元件– 雙軸振鏡掃描儀– F-Theta物鏡? 探測器– 場曲和畸變探測器– 光束強度剖面探測器– 焦點區(qū)域探測器– 光束參數(shù)探測器? 模擬/設計– 光線追跡：分析掃描場尺寸，場曲以及畸變 – 場追跡

激光掃描系統(tǒng)（LSC.0001 v1.0）使用非球面透鏡對激光掃描系統(tǒng)進行性能分析應用案例概述 系統(tǒng)細節(jié) 光源- 綠光二極管元件- 雙軸振鏡掃描儀- 非球面透鏡探測器- 場曲和畸變- 光束強度剖面- 焦點區(qū)域探測器- 光束參數(shù)模擬/設計- 光線追跡：分析場曲和畸變，場追跡引擎的探測器的定位

激光掃描系統(tǒng)（LSC.0001 v1.0）使用非球面透鏡對激光掃描系統(tǒng)進行性能分析應用案例概述 系統(tǒng)細節(jié) 光源- 綠光二極管元件- 雙軸振鏡掃描儀- 非球面透鏡探測器- 場曲和畸變- 光束強度剖面- 焦點區(qū)域探測器- 光束參數(shù)模擬/設計- 光線追跡：分析場曲和畸變，場追跡引擎的探測器的定位