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    [分享]反射光束整形系统 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2020-11-17
    光束传输系统(BDS.0005 v1.0) /9=r.Vxh  
    g4u 6#.m(  
    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 WvZt~x&2  
    R@-x!*z  
    S1[, al  
    G c \^Kg^#  
    简述案例
    I~;w Q  
    P{x6e/  
    系统详情 ve+bR   
    光源 ~yt7L,OQ  
    - 强象散VIS激光二极管 K9-9 c"cz  
     元件 ;80^ GDk~S  
    - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) \1SC:gN*#  
    - 具有高斯振幅调制的光阑 VEpcCK  
     探测器 <DP8a<{{  
    - 光线可视化(3D显示) zn>+ \  
    - 波前差探测 9a @rsyX  
    - 场分布和相位计算 5rmU9L  
    - 光束参数(M2值,发散角) :}yT?LIyP  
     模拟/设计 Ta[\BWR2  
    - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 Se_]=>WI  
    - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): J?dLI_{ <  
     分析和优化整形光束质量 hbg$u$1`,  
     元件方向的蒙特卡洛公差分析 l2kGFgc  
    ~8yh,U  
    系统说明 sQJGwZ 7  
    |j-ng;  
    L$ i:~6  
    模拟和设计结果 xr{Ym99E$  
    $C sE[+k1  
    F}7sb#G  
    场(强度)分布                                   优化后
    数值探测器结果 NYr)=&)Ke.  
    KzP{bK5/  
    i!RfUod  
    uorX;yekC  
    Q`W2\Kod]  
    总结 ]'"Sa<->  
    s[sv4hq  
    实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 h=0a9vIXF  
    1.模拟 A .Wf6o  
    使用光线追迹验证反射光束整形装置。 !\<a2>4$T  
    2.评估 hPUAm6 b;  
    应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ,:e~aG,B  
    3.优化 swxX3GR  
    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。 ;Y[D#Ja-  
    4.分析 m$_b\^we  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 OxYAM,F  
    DnFzCJ  
    对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 /IG{j}  
    Uns%6o  
    详述案例 Ps>:|j+  
    e.skE>&  
    系统参数 W} i6{ Vh  
    0cE9O9kE  
    案例的内容和目标 rHTZM,zM=H  
    6e rYjq  
    在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 cZQ8[I  
    5E-;4o;RI(  
    X!qK[b@Z  
     目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 9-/q-,  
     之后,研究并优化整形光束的质量。 =`QYy-b X  
     另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 OemY'M? ZQ  
    p X{wEc6}  
    模拟任务:反射光束整形设置 L?j0t*do  
    引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 A4!X{qUT-  
    yAryw{(  
    N?ccG\t  
    3fhY+$tq  
    {KNaJ/:>W  
    (<r)xkn  
    规格:像散激光光束 xy7A^7Li  
    )b #5rQ  
     由激光二极管发出的强像散高斯光束 -n&&d8G^s  
     忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 LN WS  
    b^Z2Vf:k]  
    ea"X$<s>-  
    n2bhCd]j<b  
    L@{'J  
    &liON1GLM  
    规格:柱形抛物面反射镜
    "D _r</b  
                             h(HpeN%`#  
     有抛物面曲率的圆柱镜 5[Vr {^)  
     应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 dGYR  'x  
     曲率半径等于焦距的两倍 1H-Y3G>jN  
    |y U!d %  
    7b[s W|{  
    规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) VKDOM0{V  
    P!W%KobZ7|  
     对称抛物面镜区域用于光束的准直 z3uR1vF'  
     从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) ^)~Smj^d  
     离轴角决定了截切区域 x 4+WZYv3  
    -/pz3n  
      
    规格:参数概述(12° x 46°光束) fA6IW(_bi  
    s#s">hMrI  
       p>7qyZ8  
    3p=Xv%xd  
    光束整形装置的光路图 IQPu%n{0v  
    ,Q-,#C"  
    BA c+T  
     由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 /P*XB%y  
     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。 ChTq!W  
    "Xv} l@  
    反射光束整形系统的3D视图 .jCGtR )%  
    @KTuG ?.  
    a yA;6Qt  
    Y1-dpML  
    光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 R'k `0  
     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)。 vTK%4=|1}!  
    <-v zS;  
    详述案例 =HCEUB9Fs  
    LL#REK|lm8  
    模拟和结果 S[zvR9AW&  
    teJt.VA7)  
    结果:3D系统光线扫描分析 !i;6!w  
     首先,应用光线追迹研究光通过光学系统 ]o<]A[<  
     使用光线追迹系统分析仪进行分析。 N:<$]x>  
    0V1GX~2  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ,ErfTg&^  
    1,wcf,  
    使用参数耦合来设置系统 [Arf!W-QG  
    ='h2z"}\Bn  
    eM<N?9s  
    自由参数: cW:y^(Xii  
     反射镜1后y方向的光束半径 >9{?&#]x  
     反射镜2后的光束半径 -{\(s=%  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) ,m=G9QcN  
     由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 Xf`e 4  
     对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 $X#y9<bW  
    ;7P '>j1?U  
    spV7\Gs.@  
    1C<cwd;9  
    f!x9%  
    1B4Qj`:+0  
    Uj(0M;#%o+  
    自由参数: >5CK&6  
     反射镜1后y方向的光束半径 ,.<mj !YE  
     反射镜2后的光束半径 sUG!dwqqd  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 1CB&z@  
     基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 aJ+V]WmA  
    3YvKHn|V"  
    `MU~N_  
     如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 =Wcvb?;*  
    l8oaDL\f  
    %+~\I\)1  
    结果:使用GFT+进行光束整形 D~C'1C&W  
    4C*ywP  
    $%~ JG(  
    zS%XmS\  
    OD8 fn  
     现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 [~9UsHfH  
    h!w::cV  
    UMGiJO\yH  
     由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 s)E  \  
    <w9~T TS  
     不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 dVbFMQ&  
    ^ }7O|Y7  
     产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: (uC8M,I\  
    CYaN;HV@_  
    @"7S$@cO  
    bIU.C|h@  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ?4b0\ -  
    XO <0;9|  
    结果:评估光束参数 ME)Tx3d  
    1wR[nBg*|  
    {M**a  
     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。 KwL_ae6fV  
     在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 0>{ ]*  
    Xd(^7~i  
    3x[C pg,  
     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。 I8bM-k):9R  
     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) Y ^+x<  
    /*#o1W?wQZ  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd +M-tYE 5n  
    D4L&6[W  
    光束质量优化 es)^^kGj6f  
    Pe _O(  
    ,:t,$A  
     通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 ^ptybVo  
     之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
    4#IT" i  
    Lwl1ta-  
    结果:光束质量优化 ^%7(  
    R;OPY?EeW  
    ^+>*Y=fl  
     由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 'n'>+W:  
    aKj|gwo!  
    mh3S?Uc  
    /yI4;:/  
     然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) O*~,L6# }  
    Pxr/*X  
    CTNL->  
    file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd &s".hP6  
    NH/A`Wm  
    反射镜方向的蒙特卡洛公差 nm5DNpHk  
    9S%5 Z>  
     对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 KuP#i]Na  
    d"FB+$  
    6|eqQ+(A  
     这意味着参数变化是的正态 [.}qi[=n  
    d0>U-.  
    lx|Aw@C3~  
    J+P<zC  
    =o 9s?vOJ  
     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。 "-&K!Vfs  
    这意味着,波前对对齐误差很敏感。 <e UsMo<  
    5&n:i,  
    t(3f} ?  
    /WnCAdDgZ  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run (l99a&] t  
    B/ 4M;G~  
    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) YZf{."Opj[  
    ,iyy2  
    T1d@=&0"  
    #Pg#\v|7#>  
    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。 $]DuO1H./  
    @\g}I`_M  
    总结 63 oe0T&  
    hQ|mow@Zmz  
    实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 1K9.3n   
    1.模拟 zQ=b|p]|W  
    通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 AY52j  
    2.研究 |?88EG@05  
    为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 76w[X=Fv  
    3.优化 Tksv7*5$  
    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。 2_w pj;E  
    4.分析 <W0(!<U  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 xQ"uC!Gu4  
    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。 l!,tssQ  
    M+&~sX*a  
    参考文献 a[K&;)  
    [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). ql@2<V{  
    O&7.Ry m  
    进一步阅读 $]|3^(y``  
    Dl/ C?Fll  
    进一步阅读 }`w(sec:3  
     获得入门视频 A"7YkOfwH  
    - 介绍光路图 5ngs1ZF@  
    - 介绍参数运行 ?6_]^:s  
     关于案例的文档 Y!M0JSaM  
    - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens gfggL&t(  
    - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 8|Tqk,/pD  
    - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing Pn9".  
    - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair hF-QbO  
    5,;\zSz  
    kqeEm {I  
    QQ:2987619807
     
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