[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） u=e{]Ax#}  
!j-Z Lq:;  
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 wUJcmM;  
oQJtUP%  
=7UsVn#o  
V
!~wj  
简述案例 1< ?4\?j  
$%f&a3#  
系统详情 2&cT~ZX&'  
 光源 o)/ 0a  
- 强象散VIS激光二极管 j1<Yg,_.p  
 元件 )boE/4  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） J<lW<:!3]  
- 具有高斯振幅调制的光阑 cU  
 探测器 RxQ*  
- 光线可视化（3D显示） xoME9u0x4  
- 波前差探测 Q+{n-? :  
- 场分布和相位计算 0=$T\(0g  
- 光束参数（M2值，发散角） {n=|Db~S  
 模拟/设计 2~[juWbz  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 t_1LL >R  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： VIb
q:U  
 分析和优化整形光束质量 [V`r^  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 K(|}dl:  
nJ;.Td  
系统说明 e|r`/:M  
}6ldjCT/,  
lEBLZ}}\  
模拟和设计结果 NHE18_v5  
_#8MkW#]~  
数值探测器结果 Iga024KR  
vih9KBT  
4^d?D!j  
y1#1Ne_  
B<C&xDRZ0  
总结 Ho]su?  
:23P!^Y  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 6S{l'!s'  
1.模拟 -Qe'Y
By:  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 @(lh%@hO  
2.评估 HVAYPerH  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 nr#|b`J]  
3.优化 2KZneS`  
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。 nr3==21Om4  
4.分析 moE2G?R  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 GtHivC  
lLIAw$  
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。 C_Wc5{  
uw8f ~:LT  
详述案例 cH)";]k*-  
e}W)LPR!  
系统参数 k;W XB|k  
5-A\9UC*@  
案例的内容和目标 e#q}F>/L  
dF2RH)Ud  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 ")25 qZae  
o !7va"  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ,"ql5Q4  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 q cno^8R  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 @%SQFu@FJ  
D&zle~" J  
模拟任务：反射光束整形设置 T^q 0'#/  
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。 jj>]9z  
A%-6`>  
tf G@&&%9  
b`_Q8 J  
zBH2@
d3W  
XX~,>Q}H=  
规格：像散激光光束 LgYq.>Nl9  
aQ~s`^D  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 nRY5xRvK  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 2T`!v  
wQLSf{2  
i mM_H;-X  
1:wQ.T  
w*Ihk)  
 2Rz  
规格：柱形抛物面反射镜 H)&R=s  
                         . ]M"# \  
 有抛物面曲率的圆柱镜 azU"G(6y?+  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 F1hHe<)  
 曲率半径等于焦距的两倍 |K~Nw&rZ]  
S[QrS7  
jFb?b6b  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） H[|~/0?K  
B?wq=DoG  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 .sA.C]f  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） uIrG*K  
 离轴角决定了截切区域 LHmZxi?  
t:c.LFrF  
规格：参数概述（12° x 46°光束） B\n[.(].r  
u
VU)d1N  
   qY#6SO`_iy  
)CyS#j#=  
光束整形装置的光路图 `,0}ZzaV&  
-{_PuJ "  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 /Q )\+  
 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。 59-c<I/}f  
:i7;w%
B  
反射光束整形系统的3D视图 +^<](z  
DeYV$W B  
P }uOJVQ_  
S@sO;-^+  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 07$o;W@  
 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）。 fn!KQ`,#  
39jG8zr=Z[  
详述案例 RFH0  
M@ZI\  
模拟和结果 X8`Sf>  
L
h<).<S  
结果：3D系统光线扫描分析 9k=3u;$v  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 IIqUZJ  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 abEmRJTmW  
1i] ^{;]  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd M#[{>6>iE  
llsfTrp  
使用参数耦合来设置系统 wvPk:1wD5  
7[wieYj{  
.>nRzgo  
自由参数： !g.?  
 反射镜1后y方向的光束半径 _-Fs#f8  
 反射镜2后的光束半径 VD\=`r)nT  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） b_):MQ1
{  
 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。 wa3}SB  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。  rXU\  
T,tdL N-  
k;L6R!V  
8e|%M  
$tS}LN_!  
tRfo$4#NY  
kSh( u  
自由参数： _/K_[w 1  
 反射镜1后y方向的光束半径 AzxXB  
 反射镜2后的光束半径 })?GzblI&  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 8&aq/4:q0  
 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。 E@3aI Axh  
O0y_Lm\  
Ub!(H^zu  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 "w.3Q96r  
""|Qtubv  
?3xzd P  
结果：使用GFT+进行光束整形 RdML3E  
}Z,x~G  
!GGkdg*-*9  
&JI8]JmU)  
b>N8F^}~O  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 K6)j0]K1  
3Ims6I]  
k)Qtfj}uij  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 E+w<R
NBmz  
H'hpEwG  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 o.l-7  
\;"=QmRD%:  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： u-5{U-^_  
&IB|rw'9  
6f*CvW  
N'`A?&2ru  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 3
;s\OW`  
/
RC7"QzL  
结果：评估光束参数 )TH@#1  
KMjhZap%  
J~UuS+Ufv  
 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。 EJNU761  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 %F4%H|G  
p"ZG%Ow5Q]  
.xWC{}7[  
 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。 vOpKNp  
 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） s+?zL~t  
e;}7G  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd e&aWq@D  
8eHyL  
光束质量优化 u^qT2Ss0  
~1vDV>dpE  
UQ@L V~6{R  
 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。 _t #k,;  
 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|@bwat4  
d,n 'n  
结果：光束质量优化 wT8DSq  
g~A`N=r;h  
DX K?Cv71z  
 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。 6MMOf\   
<T|3`#o0  
&AbNWtCV+G  
!NvI:C_4|  
 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。） oEKvl3Hz_  
U0N 60  
}oGA-Qc}B  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd "]b<uV
  
FSW_<%  
反射镜方向的蒙特卡洛公差  DwE[D]7o  
]>nk"K!%  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 ~<F8ug#  
y''z5['  
0*D$R`$  
 这意味着参数变化是的正态 CD( :jM?  
65$+{s  
ofw3S|F6  
*kDCliL  
Fgh_9S9J  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 UIN<2F_  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 i
E^84l68  
qwgPk9l  
YvyNHW&  
;LSANr&  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run dV$gB<iS  
;dZZ;#k%  
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） Hp!-248S  
EGU 0)<  
Q%tXQP.r  
ryUQU^v  
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。 c"V"zg22  
BdblLUGK#  
总结 O$j7i:G'5  
RF4vtQC=  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 'RYIW/a  
1.模拟 YdC6k?tzS  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Mhf5bN|wQ  
2.研究 ]e>w}L(gV  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 FX`>J6l:X  
3.优化 gANuBWh8T  
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。 Z|j>gq  
4.分析 *>'V1b4}  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 Wk4s reB  
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。 Tc &z:  
u^bidd6JRn  
参考文献 cyv`B3}  
[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). {Y=WW7:Qx  
1&evG-#<:  
进一步阅读 @oY~..d`
 
A_ N;   
进一步阅读 2E/"hQw  
 获得入门视频 )E@.!Ut4o  
- 介绍光路图 0s3%Kqi[  
- 介绍参数运行 =eXU@B  
 关于案例的文档 dIa+K?INX  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens (\hx` Yh=>  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens [{<`o5qR  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing #9}D4i.`}  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair bvr^zH,C  

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QQ：2987619807