[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） ra'h\m  
=b* Is,R/  
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 V>2mzc  
ctzaqsr  
;Q0WCm\5  
Qf}^x9'  
简述案例 A,2dK}\>  
^S'#)H-8C3  
系统详情 W"@FRWcd  
 光源 xq2 ,S  
- 强象散VIS激光二极管  / hl:p  
 元件 -q-/0d<l  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） Q.8)_w  
- 具有高斯振幅调制的光阑 jr9/  
 探测器 X@[)jWs  
- 光线可视化（3D显示） rkW2_UTZE  
- 波前差探测 qPc"A!-i  
- 场分布和相位计算 4&+;n[D  
- 光束参数（M2值，发散角） p FkqDU  
 模拟/设计 +[DL]e]@U  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 y<<:6OBj  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： y@L-qO+{&  
 分析和优化整形光束质量 v.ftfL!  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 +cw;a]o^>  
JBsHr%!i  
系统说明 mu(EmAoenQ  
o~*5FN}%+l  
{[&_)AW6m%  
模拟和设计结果 &$vW  
H9^DlIv('  
数值探测器结果 ZXf^HK  
:!wdqn  
UO& p2   
Y68T&swD  
r="wd  
总结 J:YFy-[w(  
WaVP+Ap  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 }/%(7Ff{  
1.模拟 }wJDHgt]-p  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 <V3N!H_d  
2.评估 H n
Rd  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ;(kU:b|j  
3.优化 NY5?T0/[  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 amL8yb  
4.分析 WrR97]7t  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 6[h3pb/m  
V8z91  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 u0md ^  
1|L3} 2  
详述案例 ?Afx{
H7  
+M+ht  
系统参数 O MEPF2:  
XeaO,P  
案例的内容和目标 aqjS5!qh  
}NMkL l]J  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 kQR
kby  
Q1G?
e,Q  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 {e4ILdXM  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 5N:THvh6o  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 S.9ki<  
("t; 2Mw  
模拟任务：反射光束整形设置 V}#2pP  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 R~,*W1G6sF  
UQwLAXs  
a*}ZT,V  
CW(]6s u{  
F<y5zqGy@  
\ORNOX:  
规格：像散激光光束 =TDK$Ek  
]_S&8F}|  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 D?u*^?a2  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 M]?#]3XBNo  
! K
~PH  
Ks.pb !r  
K8.=bGyg  
"}i\"x;s  
;as4EqiK  
规格：柱形抛物面反射镜 llbj-9OZL  
                         */Oq$3QGsV  
 有抛物面曲率的圆柱镜 :^DuB_  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 S6 F28 d[j  
 曲率半径等于焦距的两倍 R qS2Qo]  
s4 o-*1R*`  
8>TDrpT}  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） E3#}:6m  
EPCu
  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 }>cQ}6n.
 
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） %C%
~f{4  
 离轴角决定了截切区域 iHo2=Cz  
gqaENU>  
规格：参数概述（12° x 46°光束） ,z1X{  
YCwf
rz  
   (( 0%>HJ{~  
C7`FM@z  
光束整形装置的光路图 3&!X8Lhv  
vcsi@!  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 iWu$$IV?-  
 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。 m'$]lf;*  
zE +)oQ,  
反射光束整形系统的3D视图 tL1"Dt>  
:qi"I;=6  
bWK}oYB*  
83UIH0(  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 NAjK0]SRY  
 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）。 zqg4@" p  
d#.9!m~.  
详述案例 PNLtpixZ  
h_4o4#  
模拟和结果 xI}h{AF7  
r5z_{g  
结果：3D系统光线扫描分析 $D8eCjUm  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ( Kh<qAP_n  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 X#<#7.  
6X5`npf  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd f5
+a6s9  
ba^cw}5  
使用参数耦合来设置系统 U]lXw+&  
/i|T\  
yw`xK2(C$  
自由参数： lL~T@+J~  
 反射镜1后y方向的光束半径 /"+n{*9  
 反射镜2后的光束半径 8moX"w\~_h  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） EUj'%;sz-  
 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。 +rbj%v}Fh  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 ;w@PnY  
GcQO&oq|  
b(dIl)Y4 :  
}!b9L]  
_B)LRD+Hj  
s8.OL_e  
LUv>0G#L[  
自由参数： Q+E%"`3V4l  
 反射镜1后y方向的光束半径 !.mMO_4}  
 反射镜2后的光束半径 IB:Wh;_x  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） wxpE5v+f|  
 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。 stz1e dP  
,JyE7h2%i  
?y!0QAIXK  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 j8?z@
iG  
%B`MO-  
Y[9x\6 _E  
结果：使用GFT+进行光束整形 YbF}(iM  
W'6~`t  
Asicf{HaX  
_H(m4~M  
?U:?o_w  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 @yPa9Ug(V  
)s(J8J[b*L  
)nyud$9w'  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 R| t"(6  
+Ck F#H ~  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 g PogV(
V  
oX@nWQBc_  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： ufm`h)N  
0l!%}E  
gbM#jhQ  
jftoqK- p  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 6W."hPP  
*
;. l/  
结果：评估光束参数 Ath^UKO"  
1tU}}l  
;AK;%  
 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。 J6/M
m7R  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 tpj({   
[TvH7ott'1  
NJSzOL_  
 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。 8=OK8UaU  
 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） fw,ruROqD  
'm9f:iTr  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd /Za'L#=R  
|3W\^4>,  
光束质量优化 \9dSI
 
|5S/h{gq  
^%wj6  
 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。 {ecmOxKP}  
 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）。 ,$@nbS{Q]  
s`M[/i3Nm  
结果：光束质量优化 Z W` Ur>  
G^
]T  
T1m'+^?"  
 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。 4thLK8/c5g  
o-2FGM`*VB  
?#idmb}(  
N r5 aU6]  
 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。） :D6"h[
7  
>HO{gaRM  
De,4r(5  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd U;o[>{L   
iD,iv  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 cMOvM0f  
3>qUYxG8  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 R?!xO-^t  
FU/yJy  
&n+3^
JNl  
 这意味着参数变化是的正态 9H:5XR
 
Bi2be$nV  
=SPuOy8  
8`}(N^=}  
Tyt:Abym=  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 'jWd7w~(  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 jXq~ x"(  
|j53'>N[  
e_s9E{(  
-]c5**O}  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run cn#JO^8  
uP/PVoKQ  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） z)"7qqA  
9k=-8@G9  
'0x`Oh&PK  
T0n=nC}<  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 9{@#tx  
""l_&3oz  
总结 bA\TuB  
q#
wg2  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 9'F-D  
1.模拟 5g  ,
u\`  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 qR0V\OtgY~  
2.研究 2xRb$QF  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 $+P9@Q$  
3.优化 +F q`I2l|  
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。 _KiaeVE  
4.分析 
,!_
 
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 q+2yp&zF  
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。 HpXMPHd  
,\Gn  
参考文献 ) ?rJKr[`  
[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). yZ3/Ia>,  
Srj%6rgsB  
进一步阅读 .{ ^4I  
M$g%kqa  
进一步阅读 f%9EZ+OP  
 获得入门视频 X1G
[&  
- 介绍光路图 Vt{C80n&N  
- 介绍参数运行 = aSHb[hO  
 关于案例的文档 ZxkX\gl91  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens @!6eRp>Z  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens {H s""/sb  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing k7P~*ll$  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair 6W$ #`N>  
:0>wm@qCQ  
)3v0ex@Jl  
QQ：2987619807