[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） (2\ekct ^  
pQ`L=#WM  
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 cZF;f{t  
LzSusjEW@  
Y~?YA/.x  
kT=|tQ@  
简述案例 WG=r? xE  
@y2Bq['  
系统详情 eOO*gM=  
 光源 WjxB
Nk'f  
- 强象散VIS激光二极管 F88SV6  
 元件 \bmboNe  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） q$*_C kT  
- 具有高斯振幅调制的光阑 3'uES4+r  
 探测器 aZ3 #g  
- 光线可视化（3D显示） e7AI&5Eg{  
- 波前差探测 m`0{j1K  
- 场分布和相位计算 {$=%5  
- 光束参数（M2值，发散角） uXa}<=O  
 模拟/设计 T $]L 5  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ebwoMG,B-  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： ! r\ktX  
 分析和优化整形光束质量 APm[)vw#f  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 J3E:r_+  
`,=p\g|D  
系统说明  xyCcd=  
-+Ji~;b  
<[??\YOc  
模拟和设计结果 .f<,H+m^  
EB<tX`Wp  
数值探测器结果 62E(=l  
Q*o4zW  
Lh$ac-Ct  
0n^j 50Yq  
O3GaxM\x  
总结 KywT Oq  
!t{!.  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 \K=PIcH  
1.模拟 U^S:2  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 c=E.-  
2.评估 QCnVZ" !(  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。
ds[~Cp   
3.优化 9Dkgu^`  
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。 \"j1fAD!  
4.分析 t$%}*@x7  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 Ki\jiflc7  
88U  
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。 ]&BFV%kw  
l8li@K  
详述案例 ~<R~Q:T  
5< nK.i,  
系统参数 5n#&Hjb*F0  
8\_,Y ji  
案例的内容和目标 "FD~XSRL  
{(Z1Jo
Sl  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。
KwyXM9h6=  
NE nP3A  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 (#BA{9T,^  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 zj4JWUM2  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 B-zt(HG  
pswppC6f  
模拟任务：反射光束整形设置 4K% YS  
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。 8b $7#  
?os0JQVB  
]kvE+m&p}^  
!%=k/|#  
8ttw!x69)_  
~=Sr0+vV  
规格：像散激光光束 / nR
axzf'  
W`kgYGnFG  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 v]sGdZ(6-  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 xbIA97g-O,  
o)DKP>IM#  
**[p{R]8o  
eIl&=gZ6>  
1uE[ %M  
,;}RIcvQV  
规格：柱形抛物面反射镜 -ybupUJcbv  
                         %*hBrjbj  
 有抛物面曲率的圆柱镜 H2p;J#cv@  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 wVB8PO8  
 曲率半径等于焦距的两倍 x;/3_"$9>\  
l0V@19Ec  
F.9|$g*ip  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） b1"wQM9  
Nq8A vBwo4  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 %-.GyG$i  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ;!b(b%  
 离轴角决定了截切区域 R7>@-EG  
JKGZ0yn  
规格：参数概述（12° x 46°光束） IuL]V TY  
7[PXZT
  
   %G*D0pE  
P7!Sc  
光束整形装置的光路图 ~Hf,MLMdTf  
_4w%U[GT,  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 dEnhNPeRl  
 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。 Hqk2W*UTl  
?T"crX  
反射光束整形系统的3D视图 >'eqOZM  
H#:Yw|t  
%]` WsG  
SE1 tlP  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 62q-7nV  
 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）。 '
=kX   
.0 K8h:I  
详述案例 'AoH2 |  
6lGL.m'Ra  
模拟和结果 0J"3RTt  
Ra5cfkH;  
结果：3D系统光线扫描分析 zq#o8))4X  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 h=aHZ6v  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 T/ov0l_  
utXcfKdt  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd >X]<s^  
Ok
M>  
使用参数耦合来设置系统 K':f!sZ&2  
b< rM3P;  
4#T'Fy].  
自由参数： &*}S 0  
 反射镜1后y方向的光束半径 *HVO  
 反射镜2后的光束半径 +q(D]:@,[  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） d0,I]"  
 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。 "T'!cy  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 j8b:+io  
l40$}!!<  
xFJ>s-g*  
(
0S"ZT  
X$aMf&x  
9D@Ez
"xv  
P%.5xYn  
自由参数： +RM3EvglDQ  
 反射镜1后y方向的光束半径 ;4 &~i
 
 反射镜2后的光束半径 Hi9]M3Ub  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） T'XRl@  
 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_I\-  
&&JMw6 &[`  
=F`h2A;a  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 &HE8O}<>  
f,$CiZ"  
`:2C9,Xu  
结果：使用GFT+进行光束整形 [x&&N*>N  
gyPF!"!5dq  
-vMP{,  
yP@=x!$  
_tjH=Ff$  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 /xmd]XM=_  
1osI~oNZ  
i|<*EXB"  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 i-Z@6\/a5  
Vq*p?cF .  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 YC$pT  
@cx!m  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： b~|B(lL6Xm  
-*WD.|k  
6};Sn/8  
h'bxgIl'`  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd `@ObM[0p(  
T57S!CJ^$5  
结果：评估光束参数 W&"FejD  
rnW i<Se  
d&fENnt?h  
 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。 Pvtf_Qo^  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 fhC=MJ @  
(YR1ML3N  
YrdK@I  
 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。 !,\]> c  
 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） H1X6f7`  
|h3YL!  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd g><sZqj8tt  
h7*m+/O  
光束质量优化 ]!f=b\-Av  
#):FXB$a  
67#;.}4a  
 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。 rsP1?Hxq  
 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）。 $`uL^ hlj]  
~h1'_0t   
结果：光束质量优化 |ey6Czm  
vX{]_  
m\Dbb.vBvW  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。 F`
3I~(  
6l50IWj,T  
1|zo-'y  
:+u?A  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） mtHw!*  
C9~CP8  
Kj'uTEM  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 3c6#?<%0`  
~O<Bs{8  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 ,fL*yn  
1X=}  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 1(m89C[  
?gTY!;$P  
-qs9a}iL  
 这意味着参数变化是的正态 c(@)V.o2  
GU_R6Wt+  
N5g!,
3  
h'wI/Z_'  
l2$6ojpo  
 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。 rtOXK4)]I  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 kMUjSa~\  
 snX5mD  
Og^b'Kx/  
32dR`qb  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run Z5+qb  
BaqRAO7  
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） nqr[HFWs  
+Ge-!&.;A  
6VIi nuOW  
40mgB4I  
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。 XO219   
/-1[}h%U'  
总结 Td?a=yu:J  
3PPN_Z  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 $O=m/l$  
1.模拟 RH~KaV3  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 U@DIO/C,m`  
2.研究 9z,V]v=  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 8
1`-xVd  
3.优化 5ILce%#zL  
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。 |s=)*DZv  
4.分析 iku) otUc  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 R{u/r%  
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。 Q/L:0ovR  
F~4oPB K<  
参考文献 !5&% P b  
[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). |h4aJv  
$fL2w^ @  
进一步阅读 Qn6'E  
SCZtHEl9  
进一步阅读 qE!.C}L+  
 获得入门视频 ^pIT,|myY7  
- 介绍光路图 ~}PB&`%7  
- 介绍参数运行 \= =rdW-  
 关于案例的文档 *+rO3% ;t  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens (w`9*1NO  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens DavpjwSn  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing M|6l  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair `2()Vf  
Y?ouB  
=*_T;;E  
QQ：2987619807