[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） RXu`DWN  
SP>&+5AydX  
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 FF|M7/[~  
2r]o>X  
g@>93j=cZU  
"5EL+z3v  
简述案例 Um*&S.y  
Gq%,'amf  
系统详情 Bo'v!bI7  
 光源 ~\
<L74BB  
- 强象散VIS激光二极管 ,,Ivey!kL  
 元件 m,}GP^<1i  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） u%=2g'+)_  
- 具有高斯振幅调制的光阑 Qv]rj]%  
 探测器 Jc`tOp5  
- 光线可视化（3D显示） ~8-xj6^  
- 波前差探测 glBS|b$\:  
- 场分布和相位计算 GNHWbC6_m  
- 光束参数（M2值，发散角） J: I@kM  
 模拟/设计 dVn_+1\L  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 UA*Kuad  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： SDk^fTV8x  
 分析和优化整形光束质量 kQn}lD
 
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 9oG)\M.6w  
%J9+`uSl  
系统说明 "3_GFq  
#)iPvV'  
R D?
52\  
模拟和设计结果 O]j<$GG!  
eF' l_*  
数值探测器结果 1(e64w@  
(CJx Y(1K  
C\^,+)Y\~  
IlB*JJnl  
_c}# f\ +_  
总结 rD9:4W`^  
,K|UUosS-#  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 >&^jKfY  
1.模拟 zw iS%-F  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 #u +~ ^M  
2.评估 QFgKEUNgl  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 "98j-L=F+  
3.优化 . lNf.x#u  
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。 P'*Fd3B#A=  
4.分析 H?V b
 
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 o%0To{MAF-  
$\M];S=CY  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 _6g(C_m'T?  
Jje!*?&8X  
详述案例 vF/wV'Kk  
=hY/Yr%P  
系统参数 O%px>rdkY  
432]yhQ  
案例的内容和目标 Ka<J* k3  
QV4FA&f&  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 SDVnyT  
wyXQP+9G  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 X}g3[  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 1xSG(!  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 zJ@^Bw;A^@  
w"?RbA  
模拟任务：反射光束整形设置 kv;P2:"|  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 [ugr<[6  
<d >!%  
F07X9s44E  
'|<S`,'#hg  
2.MY8}&WBu  
i6g=fx6j*  
规格：像散激光光束 S0}=uL#dt  
8pZOgh  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 v *`M3jb  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 P+QL||>L  
7+qKA1t^  
|"+Ufw^  
9[sOh<W  
[1O{yPV3s  
<1 ;pyw y  
规格：柱形抛物面反射镜 |.L_c"Bc  
                         |68k9rq  
 有抛物面曲率的圆柱镜 <XN=v!2;  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 FYK`.>L28  
 曲率半径等于焦距的两倍 /'b7q y  
FZLx.3k4  
%$i}[U  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） `*D"=5G+  
=G"ney2  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 \-f/\P/ w  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） U3Z-1G~*r  
 离轴角决定了截切区域 C\B4Uu6q  
_ElG&hyp  
规格：参数概述（12° x 46°光束） D2=zrU3Y64  
ncUS8
z
 
   A7|L|+ ?  
'$?!>HN4  
光束整形装置的光路图 J0oeCb  

76KNgV)3  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 &b7_%,Bx
4  
 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。 ]}p<P):hO  
0/9]TIc  
反射光束整形系统的3D视图 CPMGsW^  
SD<a#S\o  
`b%lojT.  
>?r
MMR+A  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 1hE{(onI  
 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）。 $*T?}r>  
z^z`{B  
详述案例 ra>2<  
xV 2C4K  
模拟和结果 Hmt2~>FI[  
=0!j"z=  
结果：3D系统光线扫描分析 egURRC!  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 #V%98|"  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 y@It#!u0  
 >]~|Nf/i  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd - l^3>!MAM  
2#r4dr0  
使用参数耦合来设置系统 ,isjiy J  
Dad$_%  
mt`CQz"_  
自由参数： OZnKJ<  
 反射镜1后y方向的光束半径 ^_<|~  
 反射镜2后的光束半径 q=V'pML  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） [.1MElM  
 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。 nosD1sS.K8  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 m[74p  
Y[
dq"  
/of K7/  
TlRc8r|  
7.6L1srV  
BP0:<vK{  
b*M?\ aA  
自由参数： O#^H.B  
 反射镜1后y方向的光束半径 ]z/R?SM  
 反射镜2后的光束半径 H(rD*R[  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Zd-6_,r  
 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。 XclTyUGoK+  
+E_yEH7_)  
m<#12#D  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 AyOibnoZ2E  
W ';X4e  
 1/2cb-V  
结果：使用GFT+进行光束整形 JcA+ztPU  
va'F '|  
FutS  
W>)0=8#\  
hW<v5
!,  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ?'9IgT[*  
G9 O6Fi  
C?T\5}h  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。
Cl]?qH*:  
O6R)>Y4  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 Qop,~yK  
rUj\F9*5#  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： q1( [mHZ  
cN8Fn4g
q  
>m,hna]RZ  
Oo}h:3?  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd O'mcN*  
bYnq,JRA  
结果：评估光束参数 J-5>+E,nZ  
_y_}/  
7MLLx#U  
 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。 aQtd6L+ J  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 +*:mKx@Nw  
YcN|L&R.  
.qO4ceW2-~  
 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。 :^v Q4/,  
 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） % D  
gM\>{ihM'  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd )Y7H@e\1
 
3k`Q]O=OU  
光束质量优化 $`E?=L`$  
Pwl*5/l  
~Ld5WEp k3  
 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。 Q=`yPK>{$N  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 yx :^*/  
K8;SE!  
结果：光束质量优化 25$_tZPAI  
oLT#'42+H  
>8e)V ;  
 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。 P0,]`w  
o@e/P;E  
E1eGZ&&Gd  
Q&eyqk   
 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。） )8@-  
olE(#}7V  
7__[=)(b2X  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 4,I,f>V  
)4L2&e`k)(  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 /Sw~<B!8N  
k&ci5MpN  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 !C#oZU]P  
1;ttwF>G7  
aDF@AS  
 这意味着参数变化是的正态 'f\9'v  
4>*=q*<V5E  
yV(#z2|  
}=[p>3Dd  
s6,~JF^  
 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。 *#T: _  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 .~f )4'T 9  
P%aqY~yF3  
.9nqJ7]  
:y-;
V  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run )QE6X67i  
Qn*l,Z]US  
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）  J=` 8  
L|CdTRgRCB  
MzIDeZ  
Nw*<e ]uD  
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。 .l1
x~(  
3W?7hh  
总结 dy&G~F28  
0cS$S Mn{  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 q`*.F#/4c  
1.模拟 qU
J"* )S  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 NUV">i.(  
2.研究 _J1\c~ke"  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 wpK1nA+7N  
3.优化 jJ#D`iog5  
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。 DBAyc#&#  
4.分析 [bhKL5l  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 d%7?913  
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。 4/_jrZO  
]-\68bN  
参考文献 {-4+=7Sg1  
[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). Bb/if:XS  
]Dq6
XR  
进一步阅读 nwFBuP<LR  
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进一步阅读 YV.' L  
 获得入门视频 QX=TuyO  
- 介绍光路图 hxoajexU  
- 介绍参数运行 D6bYg `  
 关于案例的文档 "\o#YC  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens mw"FQ?bJ  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens w-K A~  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing +``vnC  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair |T<aWZb^=  
[G}dPXD  
Nc\DXc-N  
QQ：2987619807