[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） =2R0 g2n  
$e/[!3CASP  
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 7&Qf))L  
=q"o%dc`R  
cM;,nX%/  
5o2vj8::  
简述案例 t(r}jU=qw  
p#+Da\qmx  
系统详情 _2wH4^Vb  
 光源 !v?WyGbUg  
- 强象散VIS激光二极管 z8*{i]j  
 元件 *]+5T-R% $  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） AEO7I f@  
- 具有高斯振幅调制的光阑 !UF(R^  
 探测器 }e8u p*#me  
- 光线可视化（3D显示） %P HYJc  
- 波前差探测 3.@I\p}  
- 场分布和相位计算 y2
5L`b  
- 光束参数（M2值，发散角） *sYvV,  
 模拟/设计 S0jYk(  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 V)#rP?Y  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： =P7!6V\f  
 分析和优化整形光束质量 1azj%WY  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 |N%#;7  
@zq]vX-A_  
系统说明 MwO`DrV  
Fh U*mAX)  
H?$gHZPI  
模拟和设计结果 I6.}r2?;A  
_6Qb 3tl  
数值探测器结果 2x<4&^  
-_+,HyJP  
.xV^%e?H  
Jt|W%`X>D  
NjP7?nXSx  
总结 U_61y;Q"  

>Q% FW  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 la{Iqm{i  
1.模拟 %(i(Cf8@  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 =+"=|cQ  
2.评估 )9s 6(Iu  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 Io\tZXB  
3.优化 CaqqH`/E4  
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。 i27KuPjC  
4.分析 XI7:y4M  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 {~{</ g/  
_t.Ub:  
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。 CA5q(
ID_  
;'P<#hM[$  
详述案例 Wj"GS!5  
e%EE|  
系统参数 3w$Ib}7  
tr-muhuK  
案例的内容和目标 ) ={ H  
,Uu#41ZOKL  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 /6yH ,{(a  
>@uFye$  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 m(p0)X),_i  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 /\u1q<  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 w i=&W  
]B=2r^fn  
模拟任务：反射光束整形设置 8c5%~}kG  
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。 %W,V~kb  
W $EAo+V  
WNWtQ2]  
#xfPobQ>il  
B(qwTz 51  
&.)ST0b4  
规格：像散激光光束 9KDm<Q-mf  
8s)(e9Sr  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 9f_Qs4  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 R(W}..U0R"  
,<O|Iis  
`PI?RU[g*  
@@} ]qT*  
X-}]?OOs  
Rs;Y|W4'  
规格：柱形抛物面反射镜 QrRnXlEM8  
                         =}m'qy  
 有抛物面曲率的圆柱镜 ve@E.`  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 1y7FvD~v  
 曲率半径等于焦距的两倍 C[Nh>V7=  
Fd1jElt  
23*OuY  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） Be~In~~  
=L&dV]'4P  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 VGeyZ\vU  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ;Wedj\Kkp  
 离轴角决定了截切区域 u?lbC9}$  
;I!Vba  
规格：参数概述（12° x 46°光束） ,
B,:$G<  
@JU Xp  
   I/Q~rVt  
^+rI=c 0  
光束整形装置的光路图 N%fDgK  
Uo=_=.GQ  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 <(W:Q3?s  
 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。 %{ +>\0x
  
Wz)@k2  
反射光束整形系统的3D视图 \<Di|X1  

/5"RedP<  
,FWsgqL{l  
;>r E+k%_  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 <P0&!yN  
 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）。 !T$h?o  
3%YDsd vQx  
详述案例 z(Q 5?+P  

8<PQ31  
模拟和结果 UKzXz0  
M{Hy=:K+  
结果：3D系统光线扫描分析 dr^MW?{a\  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 yt1dYF0Xq  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 *IIuGtS  
~
en'E  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd  .F/
0:)  
QR{>]I  
使用参数耦合来设置系统 iE,/x^&,&  
rL|9Xru  
m e2$ R>@  
自由参数： I T gzD"d  
 反射镜1后y方向的光束半径 'W*ODAz6  
 反射镜2后的光束半径 h1Logm+m  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） WuMr";2*E  
 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。 xaNM?]%  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 ASULg{  
sPRo=LB  
DH!_UV  
,Y`TP4Ip  
}$@EpM  
A75z/O{  
e~PAi8B5  
自由参数： kS
<9cy[O  
 反射镜1后y方向的光束半径 ,nSapmg  
 反射镜2后的光束半径 PYr'1D'  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） j6#Vwcr  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 ~=gpn|@b  
5q _n6
9b  
l09SWug  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 ~qkn1N%'  
2k+u_tj>  
k FCdGl  
结果：使用GFT+进行光束整形 FZx.Yuv  
UAOH9*9*  
l^
R1XBP  
 |Fe*t  
{\55\e/C,  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 S#N4!"  
Ypwn@?xeP  
gfQ1p?  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 GU7f27p  
@o>3 Bv.  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ][B>`gC-  
a\tv,Lx  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： _[,7DA.qc  
@waY+sqt=  
}xpo@(e  
Mi047-% (  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd iyP0;$  
`!y/$7p  
结果：评估光束参数 b}J,&eYD  
lK3{~\J-  
 >f*Zf(F  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 t)hi j&wzu  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 l(d3N4iz  
VF:95F;@  
w3jcit|  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 b=XHE1^rM  
 M2值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M2值是由光束偏离引起的） 4ZtsLMwLD  
Xp0S  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd  _:HQ4s@  
?wREX[Tqs  
光束质量优化 j.+}Z |  
k:#u%Z   
b)7v-1N  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 tgC)vZ&a  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 2X6L'!=  
mT,#"k8  
结果：光束质量优化 BVu{To:g  
9](RZ6A+o  
-ju}I  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。 B:#9   
}X~"RQf9  
t^"8 v3
'h  
vfdTGM`3  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） c{[lT2yxU  
1!Afq}|  
Ww=b{lUD  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd - *v)sP"@  
0}N"L ml  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 Q-Oj%w
4e  
@@H?w7y?&  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 f"t+r /d  
_ qU-@Y$  
7'Gkip  
 这意味着参数变化是的正态 \WxBtpbQB  
gjn1ha"h%.  
Kiq
[PK  
'3fN2[(  
UdcrX`^.  
 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。 iJS7g  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 k(M(]y_  
J$i.^|hE/  
F$jfPy-f  
Fb6d1I^wR  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run .+&M,% x  
,O_iSohS  
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） {'yr)(:2M  
|z?c>
.  
(e4#9  
:M8y 2fh  
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。 }!N/?A5  
%Ot*k%F  
总结 P4fnBH4OQ  
"6gBb
m  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 .yB{+  
1.模拟 2Y
K2t<EO  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 f([d/  
2.研究 ?X$*8;==6  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 i':a|#e>  
3.优化 |IDZMd0  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 !V-(K_\t  
4.分析 +asO4'r  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 R#ZO<g%'  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 lYS*{i1^ '  
Xn02p,,  
参考文献 yz=aJ v; H  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). 7m8(8$-
6  
p$mt&,p  
进一步阅读 10^FfwRfM  
& l0LW,Bx  
进一步阅读 !\!j?z=O8  
 获得入门视频 US\h,J\Ju  
- 介绍光路图 slaH2}$xR  
- 介绍参数运行 ~~q>]4>  
 关于案例的文档 (*9-
Fa  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ~-#Jcw$+n=  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens OR}+)n{  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 8`_tnARIX  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair 51;[R8'w  

F>eo.|'  
+G)a+r'0Q  
QQ：2987619807