[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） EdC/]  
fOt?2Bh  
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 5LJ0V  
-X_dY>>s  
'))K' u  
)h`8</#m{  
简述案例 QHgkfo  
JXF0}T)C  
系统详情 _Z_R\  
 光源 .0?A0D?sP  
- 强象散VIS激光二极管 _o'a|=Osx>  
 元件 7,"y!\  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） A#8J6xcSrL  
- 具有高斯振幅调制的光阑 T*jQzcm~?  
 探测器 1w'W)x  
- 光线可视化（3D显示） *1g3,NMA  
- 波前差探测 ]\(Ho   
- 场分布和相位计算  SGK 5  
- 光束参数（M2值，发散角） l-?#oy  
 模拟/设计 G|.6%-  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 =+w!fy  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： g+3_ $qIQ+  
 分析和优化整形光束质量 !Wz4BBU8o  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 "2z&9`VIY  
R^&.:;Wi>  
系统说明 "X \Yp_g  
Hb3t|<z  
<HH\VG\H6  
模拟和设计结果 >9<YQ(  
r-$VPW  
数值探测器结果 uP$C2glyz  
d9q`IZqee  
*=X61`0  
REWW(.3o  
TGHyBPJb  
总结 00/ RBs5  
2B b,ZC*  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 C2H2*"  
1.模拟 jbWgL$  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ~-
eB  
2.评估 >f70-D28  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 OM?FpRVU8  
3.优化 ko~D;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。 ~(\.j=x  
4.分析 {Kz!)uaC  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 }U|0F#0$  
Q'rgh+6  
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。 VI]~uTV  
+<bvh<]Od  
详述案例 a%r(
F  
-f["1-A  
系统参数 jEn9T  
mcTC'. 9  
案例的内容和目标 GD%qrK?  
.f&Z+MQ
 
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 BvP++,a&Sa  
T_[  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 %LBf'iA  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 p^ ONJ
L  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 + cZC$lo  
%E[ $np>  
模拟任务：反射光束整形设置 E+cx8(   
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 =!u]t&yv  
Pq1j  
Vg}+w Nt5  
.EZ8yJj1Q  
M[cAfu  
1dOB|  
规格：像散激光光束 `jec|i@oO  
JA% y{Wb  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 is=x6G*r  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 }U?:al/m  
Wr`<bLq1vs  
NjKC{L5S:  
.E;}.X  
zEh&@{u?  
)}u?ftu\  
规格：柱形抛物面反射镜 5t|$Yt[  
                         \+Y5b}  
 有抛物面曲率的圆柱镜 m[v%Qe|~  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 !LCy:>i!d  
 曲率半径等于焦距的两倍 MzF,is  
=.l>Uw!  
ra8AUj~RX  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） *Ag3qnY  
n[\L6}  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 P MI?PC[;  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） !QCErE;r  
 离轴角决定了截切区域 )5fly%-r)  
'sTc=*p/  
规格：参数概述（12° x 46°光束） xl Q]"sm1  
@u`m6``T  
   89t"2|9 u  
&~'i,v|E  
光束整形装置的光路图 b>]UNf"-  
{\X$vaF  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 iFZ.a.NDc  
 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mt#S  
`|mV~F|  
反射光束整形系统的3D视图 NTSIClm}U
 
>8&fFq  
eN`G2eE  
JW"`i   
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 n4.\}%=z  
 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）。 `l %,4qR  
ru|*xNXKgC  
详述案例 /N,\st  
GC_c
.|'6[  
模拟和结果 Pa"Kk9!o36  
CZ>Ujw=&k  
结果：3D系统光线扫描分析 u95D0S  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 M"-.D;sa1  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ^1<i7
u  
-Rx;"J.H  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd &8I*N6p:%/  
,$U~<Zd  
使用参数耦合来设置系统 40z1Qkmaey  
C=2DxdZG  
G-,0mo  
自由参数： 24wr=5p]Q  
 反射镜1后y方向的光束半径 Eo6qC?5<  
 反射镜2后的光束半径 ]f}(iD  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） n/e,jw  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 9W-1P}e,  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 nzF2Waa-  
vP\6=71Y  
N#@v`S  
N^AlhR^  
;|W:,a{kS  
BK wo2=m~  
;=1[D  
自由参数： 0g; o6Fg  
 反射镜1后y方向的光束半径 5Zmc3&vRl  
 反射镜2后的光束半径 t_Rj1U  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） h"'}Z^  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 ?mN!9/DIc  
8k+k\V{  
t;u)_C,bmP  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 d[nz0LI|mk  
lkC|g
%f  
o)$eIu}Wg  
结果：使用GFT+进行光束整形 J|@D @\?7  
hegH^IN M  
IRTWmT jT  
7xR:\FBa^  
(:h&c6'S)b  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 m\E=I5*/  
KC%&or  
"z=~7g  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 RD;A  
V#R; -C  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 4vND ~9d  
.u`A4;;Gw  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： MXjN./  
t<RPDQ>  
 kKY,&Fn-  
a^ys7UV  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd (ak&>pk;  
y,@yaM}-/K  
结果：评估光束参数 %(H' j@D[  
DF'~ #G8  
9
e}%2,  
 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。 3(gOF&Uf9  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 9l:[jsk<d  
x<@i3Y{[  
52^,qP'6  
 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。 8i<]$
 
 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） 5@ Hg 4.  
f9+6g
Y  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd woF{O)~X  
JSaF7(a =  
光束质量优化 oq b(w+<  
$iA:3DM07  
_1WA:7$C  
 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。 Y{Lxo])e  
 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）。 e AaS }g 0  
;ZMIYFXRqh  
结果：光束质量优化 fu-,<m{  
Y"nz l]T  
J4 U]_|  
 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。 M a3}w-=;  
3II*NANeg  
Z|)1ftcC  
c>Ri6=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。） Nus]]Iy-g  
bfpoX,:   
)n[=)"rf  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd (m=1yj9  
U!E}(9 tb
 
反射镜方向的蒙特卡洛公差 Vi
0D>4{+  
2OqEyXh  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 txQr|\4k  
ZF8`=D`:R  
Y##lFEt  
 这意味着参数变化是的正态 Uv~|Xj4.  
4$U^)\06W  
YN7`18u  
ZCM
H?>  
.YP&E1lNi  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 'Asr,[]?  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 1=`VaS  
bqaj~:}@  
\MPbG$ ^  
zz(EH<>  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ,}9 tJY@E  
@gM}&G08  
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） q|r*4={^!*  
{kb7u5-  
CC3M7|eO3  
iOL/u)   
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。 '/AX'U8Y  
~k}O"{ y  
总结 <Of-,PcCV  
x"cB8bZ!$  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 }z|9F(I  
1.模拟 2^w{Hcf  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 mgM"u94-]
 
2.研究 9`? M-U  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 c~OvoTF,  
3.优化 e"*ho[  
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。 WT3g31  
4.分析 _N>#/v)Yi  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 "CREls,  
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。 VUz+_)  
b):aqRwP  
参考文献 ;qr?[{G  
[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). zE?dQD^OD  
+Yc
@<$4  
进一步阅读 Q&"oh  
}7P[%(T5  
进一步阅读 9wO2`e )  
 获得入门视频 S1m5z,G  
- 介绍光路图 f/4DFs{  
- 介绍参数运行 aygK$.wos  
 关于案例的文档  !$!%era`  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens f&RjvVP?s  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens UIht`[(z  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing Np+pJc1  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair 475g-t2"@  
Iek]/=  
[X8EfU}  
QQ：2987619807