[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） 3{~hRd  
b-%7@j  
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 x4Eq5"F7}  
H=7d
p%b"  
`7+?1z  
H`B%6S/  
简述案例 'U5 E{  
KmpX^Se[  
系统详情 nM\Wa  
 光源 'j>^L  
- 强象散VIS激光二极管 ]TqcV8Q~  
 元件 m,qU})  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） m6aoh^I  
- 具有高斯振幅调制的光阑
Zna }h{  
 探测器 ,_P(!7Z8  
- 光线可视化（3D显示） ,T"(97"  
- 波前差探测 Sr%~ 5Q[W  
- 场分布和相位计算 +=U`  
- 光束参数（M2值，发散角） t55CT6Se  
 模拟/设计 $Iv*?S"2  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 +oe ~j\=  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： T\. 8og  
 分析和优化整形光束质量 [ZDJs`h!`  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 %|r@q  
Mp"] =  
系统说明 d<fS52~l  
)QFT$rmX  
I\`:
(V  
模拟和设计结果 |0A n|18  
/>.&  
数值探测器结果 t[)z/[m  
]^ZC^z;H  
9S.R%2xw`  
'HPw5 L  
iTqv=  
总结 N~Ax78TX  
 p^\>{  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 pl|<g9  
1.模拟 z&cfFx#h)  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 :8yrtbf$  
2.评估 m6+2rD  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 tJ2l_M^  
3.优化 KDg!Y(m{  
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。 z8vFQO\I"  
4.分析 \`|,wLgH  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 7o0ej
#  
:t^=~xO9  
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。 Ho\K %#u
 
x/bO;9E%U4  
详述案例 "R4~ 8r  
YPGn8A  
系统参数 PN+,M50;1  
3_vggK%  
案例的内容和目标 =xai 7iM  
z4H!b+   
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 h`&mW w  
|44CD3A%
 
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 7-6_`Q2}Y  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 pZ OVD%  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。  QqtFNG  
2R:['QT  
模拟任务：反射光束整形设置 O#cXvv]Z*  
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。 [Gt|Qp[  
s:wLEj+  
vA(3H/)-  
A-c3B+  
DV{Qbe#In  
7Q
Q1oPV  
规格：像散激光光束 >*vI:MG8  
aMh
2[I  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 k NK)mE  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 c|96;=z~  
YNk?1#k?i  
6i{W=$RQ  
CQ#p2  
Jq/([
  
E83{4A4  
规格：柱形抛物面反射镜 \>:(++g  
                         vseuk@>  
 有抛物面曲率的圆柱镜 [$-y8`~(  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 O_KL#xo  
 曲率半径等于焦距的两倍 wzP>Cq  
0'RSl~QvqS  
{9_CH<$W%U  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） `Z/"Dd;F^3  
A3M)yWq  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 6ZCt xs!  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） wQ4/eQ*  
 离轴角决定了截切区域 %J2u+K  
!3?HpR/nV  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 9dSKlB5J  
j YO#  
   M)Ogb'@#  

5Lm ?  
光束整形装置的光路图 ^om(6JL
2  
/1o~x~g(b  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 ^ 8egn|  
 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。 8 :Z3Q  
}$81FSKh  
反射光束整形系统的3D视图 :;)K>g,b  
RUSBJsMB  
8[2^`g  
;`s/|v  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 @/B&R^aVZ  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 Ko2{[%  
VY Va8[}  
详述案例 e"[o2=v;5  
SP5/K3t-*  
模拟和结果 A2*
z  
3 LoB-4u?  
结果：3D系统光线扫描分析 a&wl-  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 v7xc01x  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ]NG`MZ  
V\X.AGc  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Fag%#jxI  
o;
_v'  
使用参数耦合来设置系统 *%\z#Bje@  
8]'qJ;E2  
Pou`PNvH  
自由参数： T+N%KRl  
 反射镜1后y方向的光束半径 BWfsk/lej  
 反射镜2后的光束半径 }(20MW8rMc  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） (A/V(.!  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 O .m;a_  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 #R'm|En'  
7L? ~;;L$  
L%U-MOS=  
D~U4K-  
|jO&qT]{  
iK= {pd  
;~#rdL  
自由参数： Jc(tV(z  
 反射镜1后y方向的光束半径 Z&
/bp1  
 反射镜2后的光束半径 _{C:aIl[2  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） shjS^CP  
 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。 b P4R  
aj|I[65  
rRly0H  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 ~X*)gS-=  
V)f/umT%g  
4{[Df$'e>  
结果：使用GFT+进行光束整形 W`C2zbC  
((B7k{`  
*'1qA0Xc  
E5/-?(N  
A"2k,{d  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 o} YFDYi  
:,]V
03  
RxjC sjg  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 @s b\0}  
q6%jCt2'  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 /RIvUC1  
ggzg,~V  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： w|OMT>.  
AQDT6E:  
b(wW;C'#0p  
4 B"tz!  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd _qR1M):yJ  
))K3pKyb  
结果：评估光束参数 H3H3UIIT_  
N~=p+Ow[H  
-WWa`,:  
 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。 jn&[=Y-  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 :-fCyF)EI  
xrFFmQ<_W  
oe=^CeW"  
 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。 mg;+Th&  
 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） %V%*0S|U  
[nZ3}o  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd T<=Ci?C v  
F3HpDfy  
光束质量优化 _?x*F?5=
 
m}54yo  
.J6Oiv.E  
 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。 n,!PyJ  
 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）。 C (L1  
ODyK/Q3  
结果：光束质量优化 O(2)A>}  
&^=6W3RD  
P:eY>~m<;  
 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。 jQxv`H  
$!h21  
O8%+5l`T!  
0,a\vs%@X  
 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。） 5(W`{{AW  
dO =fbmK  
6 9_etv  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd u,mC`gz  
]:uJ&xUar  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 &ejJf{id  
Q(=}
PF  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 3)b[C&`  
Z7a~M3VnZ  
00X~/'!
 
 这意味着参数变化是的正态 q1Gc0{+)  
$lz\te  
wl|cipy"  
`a2%U/U  
?:73O`sX:  
 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。 p_pI=_:  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 DC4O@"  
cy T,tN  
n]c6nX:'  
Jn!-Wa,  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 7DQ{#Gf#G  
2Hl0besm  
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） }q7rR:g  
d~n|F|`:  
VUAW/  
GvQKFgO6h  
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。 KKB&)R  
EX zA(igS  
总结 b|F4E{{D^  
Qa-]IKOs  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 W?is8r:  
1.模拟 oRH]67(Z  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 6^_:N1@  
2.研究 qYjR  
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+kK  
3.优化 /=4 m4  
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。 0*G =~:  
4.分析 H?A&P4nZ  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 _nW{Q-nh  
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。 \[u7y. b  
%N``EnF2  
参考文献 lAYyxG#  
[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). |Rk9W  
g+'=#NS}  
进一步阅读 =LLix . >  
#( G>J4E,  
进一步阅读 Lso4ZZ;  
 获得入门视频 YB?yi( "yL  
- 介绍光路图 n~`1KC4  
- 介绍参数运行 jFAnhbbCE  
 关于案例的文档 BCUn[4Gp  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens E&js`24 &  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens N_<wiwI<  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing k/'>,WE  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair (|Zah1k
&]  
o!bIaeEaU  
]nmVT~lBe"  
QQ：2987619807