自由曲面透镜优化设计激光系统复现关键词自由曲面透镜Tracepro仿真光束整形激光系统科研复现一、文章简要介绍本文基于之江实验室发明专利CN111897127A采用Tracepro完整复现了自由曲面透镜自动优化设计流程。该专利针对SERF原子惯性测量中抽运激光整形需求提出两步优化策略均匀性80%→90%仅一片自由曲面即实现非理想光源高效均匀整形。我们复现结果与专利数据完全一致。二、仿真步骤步骤一非理想光源建模。用光束质量分析仪采集实测椭圆光斑数据3mm×2.5mm770nm在Tracepro中通过表面光源生成器建立逼近真实光源的仿真模型。步骤二第一步优化。在透镜表面设分割点为变量≤0.1mm采用下山单纯形法以照度均匀分布为目标保存均匀性80%的优化结果。步骤三控制点提取与B样条拟合。从优化结果导出离散点交线法提取控制点拟合成二次B样条曲线。两个自由曲面各4个控制点。步骤四Scheme编程。编写自由曲面透镜BK7、偏振分光棱镜ZnS/MgF2镀膜、1/4波片、准直透镜~16mm×16mm及14mm碱金属气室的Scheme程序将控制点与准直透镜曲率半径设为优化变量。步骤五Auto-Scheme自动优化。编写After-Scheme程序以6位置照度分布和能量利用率为目标执行优化局部微调后全位置均匀性90%透镜尺寸约10mm×4mm。步骤六系统验证。反向延长光束计算准直焦距确保整形光平行出射。气室三位置检测准直性后完成验证。三、结果解读图1 自由曲面透镜优化设计方法流程图复现结果图1为方法流程图展示从光源建模→第一步优化→控制点提取→Scheme编程→自动优化→系统验证的闭环流程。图2 控制点提取示意图复现结果图2为控制点提取示意图。从离散点以交线法求取控制点序列作为B样条节点和优化变量。图3 光束整形系统示意图复现结果图3为光束整形示意图。A自由曲面透镜完成光强均匀化B准直透镜平行出射至碱金属气室。图4 自由曲面透镜结构图复现结果图4为自由曲面透镜结构。两表面各4控制点经B样条生成优化后约10mm×4mmBK7材料。图5 系统结构与模拟仿真图复现结果图5为系统结构与仿真图。光轴激光器→偏振分光棱镜1/4波片→自由曲面透镜→准直透镜→碱金属气室。图6 优化后不同位置照度分布图复现结果图6为6位置照度分布图。各位置均匀性均90%中心照度均匀无热斑暗区满足SERF原子极化要求。图7 光偏振分析图复现结果图7为光偏振分析图。出射椭圆偏振光各方位角偏振椭圆度均达标保障原子极化均匀性。四、我们提供的服务我们可1:1复现本专利全流程非理想光源Tracepro建模、Scheme/Auto-Scheme宏程序编写、控制点提取与B样条拟合、两步优化90%均匀性及系统验证结果与专利数据严格一致。提供源文件、宏程序源码及分步操作文档。承接自由曲面、光束整形、照明优化、偏振分析等光学仿真。