[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） `Hld#+R  
WB<_AIt+  
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 o*& D;  
$)t ]av  
Uax[Zh[Cg  
ppH5>Y 6c  
简述案例 Q{F*
%X  
r*'a-2Au  
系统详情 p}_n :a  
 光源 Uv?s<  
- 强象散VIS激光二极管 Y).5(t7zaR  
 元件 ?4vf2n@  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） J-yj&2  
- 具有高斯振幅调制的光阑 gIa/sD2m>  
 探测器 Exd$v"s Y  
- 光线可视化（3D显示） :I*G tq   
- 波前差探测 %QH "x`;  
- 场分布和相位计算 QhUv(]
0  
- 光束参数（M2值，发散角） +c$]Q-(  
 模拟/设计 Q[+&n*  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 DA;,)A&=Q  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： t ' _Au8  
 分析和优化整形光束质量 (:v|(Gn/  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 jSNUU.lur  
S3EM6`q'  
系统说明 zG)XB*c  
G Xx7/X  
%6rMS}  
模拟和设计结果 IO3`/R-  
FaS}$-0  
数值探测器结果 v%N/mL+5L  
`D)ay  
k=">2!O/  
1|/P[!u  
rS1mBrqD  
总结 Teq1VK3Hr  
5MUM{(C  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 <Th)&  
1.模拟 V}<Hx3!  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 mHc
xK@qw  
2.评估 Zqwxi1  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 FgA'X<  
3.优化 uLFnuK  
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。 wV\;,(<x=%  
4.分析 IO/%X;Y_  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 +|6 '7Z(9  
lFvRXV^+f  
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。 7g@P$e]  
}2dz];bR  
详述案例 pe(31%(h  
s>y=-7:N  
系统参数 15PFnk6E|  
Z(g9rz']0  
案例的内容和目标 zdY+?s)p  
4?Mb>\n%<^  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 9v[cy`\  
N$u;Q(^  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Y4E
UW%  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 xDtq@Rb}  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 QUa_gYp0v  
)nJo\HFXv  
模拟任务：反射光束整形设置 pPr/r&r  
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。 +)8,$1[p|  
:W]IJ mI\  

)na8a!  
3a#X:?  
F3k]*pk8w  
qf7:Q?+.|  
规格：像散激光光束 S0X%IG  
l+# l\q%l  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 iCA!=%M@D  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 m(Hb! RT  
~`J/618  
{O\>"2}m'f  
"&jWC  
lgR;V]^YX  
,PG d  
规格：柱形抛物面反射镜 M7D@Uj&xx(  
                         (#zSVtZ  
 有抛物面曲率的圆柱镜 J LOTl.  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 (W*~3/@D  
 曲率半径等于焦距的两倍 1<Vc[p&  
Y6LoPJ  
Z7 \gj`  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） >:5^4/fo*  
\9[_*  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 p7.j>w1F  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） EBF608nWfW  
 离轴角决定了截切区域 +h!OdWD9
 
g? 7%  
规格：参数概述（12° x 46°光束） V*an0@  
8u+FWbOl]  
   WJH)>4M#  
gQ]WNJ~>  
光束整形装置的光路图 JzhbuWwF-  
[X >sG)0S~  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 1$cX`D`  
 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。 qw]:oh&G  
1PwqWg-\\  
反射光束整形系统的3D视图 ppv/A4Kv  
eUiJl6^x  
5)=XzO0  
Vf Jpiv1  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Vwj^h
 
 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）。 WU}?8\?U%  
m%8idjnG  
详述案例 k M/cD`  
_)4YxmK%  
模拟和结果 *0y|0J+0  
@S3G>i  
结果：3D系统光线扫描分析 x50,4J%J'r  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 d1=kHU4_9  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 E1,Sr?'  
&p\fdR4e  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ?sb Ob  
idL6*%M  
使用参数耦合来设置系统 [K2\e N~g  
]6wo]nV[P  
}m6zu'CV  
自由参数： aL63=y  
 反射镜1后y方向的光束半径 IvLo&6swW  
 反射镜2后的光束半径 oH/6  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） +8+@Az[e0  
 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。 &@E{0ZD  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 [qhQj\cK  
2l43/aCq  
uo`O$k<;  
#&+0hS  
l#8SlRji  
w#v8a$tT  
,Lt+*!;m  
自由参数： zo*YPDEm"  
 反射镜1后y方向的光束半径 mmC&xZ5f  
 反射镜2后的光束半径 uus}NZ:*l  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） F<8Rr#Z  
 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。 &m=Xg(G~c  
TV$Pl[m  
?b?`(JTR  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 QN=a{  
I>k>^  
4@6!E^  
结果：使用GFT+进行光束整形 U1?*vwfKZ  
'I|A*rO  
l#P)9$%  
pDr%uL  
cr!6qv1  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 =
2HR+  
_D9`L&X}  
MB423{
j  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 W@NM~+)e  
O[O`4de9  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 5IeF |#g  
G{*m] 0Q  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差：
%x_c2  
Kfnn;  
j{,3!  
sW)C6 #  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ~.qzQ_O/  
Lq@pJ)a  
结果：评估光束参数 DXPiC[g]  
uWw4l"RK`  
y7#$:+jQv  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 b#p)bcz!I  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 @NMFurm  
a`5ODW+  
x2B~1
edf  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 V$u~}]z  
 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） uLV@D r   

aVv$k  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd xao'L  
T.kmoLlH  
光束质量优化 S -j<O&h~C  
fsa  
c)8V^7
=Q  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 U~z`u&/  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 l,}{Y4\G  
qJQE|VM&  
结果：光束质量优化 ?c)PBJ+]  
XHuY'\;-  
910Ym!\{:  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。 z)
Xf6&  
;+]9KIa_Pq  
7sECbbJT  
6|U0"C#]  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） *_d+cG  
/sY(/ JE  
Q+|8|V}w  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd BCB"&:}  
LO@.aJpp  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 <,qJ%kc  
U,"lOG'  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 %zE_Q  
<{@?c  
8cn)ox|J[  
 这意味着参数变化是的正态 v(^{P  
QjETu  
`Z]Tp1U  
03?TT,y$  
xN wKT
IK$  
 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。 }$u]aX<  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 
-jsNAQ  
n k]tq3.[  
\3dMA_5  
]#]m_+} Z  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run j"o`K}C  
=W)Fa6P3j(  
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） C5QPt  
2<}^m/}  
xP3_  
nt\6o?W  
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。 e#Jx|Ej=  
$Ch!]lJA
 
总结 $Tu%dE(OF  
^ ab%Mbb  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 "!<Kmh5  
1.模拟 \&]M \  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 FH}n]T  
2.研究 b)@%gS\F  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 KquHc-fzqr  
3.优化 kXS_:f;M  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 jEfrxlj  
4.分析 XNwY\y  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 dT8m$}h9  
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。 pH.wCD:
1n  
LNml["   
参考文献 (8o~ XL  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). CYrVP%xRA  
`L`*jA+_  
进一步阅读 9 m&"x/k  
/3:R{9S%  
进一步阅读 Ous[{"-J  
 获得入门视频 (V@g?|LZ  
- 介绍光路图 b_-ESs]g  
- 介绍参数运行 4xhV
+Y  
 关于案例的文档 QQPbKok>  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens rz+G]J  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens %@q52ZQ  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing QlIg'B6  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair CF9a~^+%  
t/WauY2JUC  
N( E\  
QQ：2987619807