[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） .1Al<OLL  
YccH+[X;
 
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 c>RFdc:U  
ZR?yDgL  
Ww%=1M]e-  
:~T99^$zA  
简述案例  &NK,VB;  
(#RH
B`h5  
系统详情 8UyMVY  
 光源 IrhA+)pdse  
- 强象散VIS激光二极管 _i|t Y4L  
 元件 E!l!OtFL  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） Tewb?:  
- 具有高斯振幅调制的光阑 d>fkA0G/9!  
 探测器 A '5,LfTu  
- 光线可视化（3D显示） ua]o6GlO  
- 波前差探测 1Y@Aixx  
- 场分布和相位计算 ve/<=IR Zo  
- 光束参数（M2值，发散角） tlqiXh<  
 模拟/设计 ^,_w$H
 
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ;y\IqiA{o  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： bc)~k:  
 分析和优化整形光束质量 orfO^;qTY  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 K3;nY}\>  
7/f3Z1g  
系统说明 4?7W+/~<&  
dA0.v+Foz"  
\LppYXz  
模拟和设计结果 QQ~-  
6%Pdy$ P  
数值探测器结果 - 'W++tH=  
s4S
G[w!d  
R0vIbFwj  
zN@} #Hk  
>JCM.I0_|  
总结 O#k6' LN?  
~ZhraSI)G  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 /8g^T")  
1.模拟 g,95T Bc  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 qI<mjB{3`  
2.评估 7cO n9fIE  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 JS
W}*HR  
3.优化 (?{MEwHG  
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。 @$c\dvO  
4.分析 V<@ o<R  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 7C ,UDp|  
hn=[1<#^(  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 _D_LgH;}  
f[~L?B;_L  
详述案例 ,7NZu0  
V8-oYwOR  
系统参数 U1RpLkibQ  
!@'6)/  
案例的内容和目标 %r6y ;vAf  
g(J&m<
I  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 @reeO=  
I_rO!  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 >ByXB!Wi+  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 ";Rtiiu  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 9Fm"ei  
<5jzl  
模拟任务：反射光束整形设置 x{c/$+Z[  
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。 F>[,zN  
^?]%sdT q  
:!b'Vk  

zs*
L~_K  
ehG/zVgn  
WT
`4s  
规格：像散激光光束
SD$h@p=!=  
i21Gw41p:  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 GJp85B!PlO  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 _Bp1co85MQ  
c#]q^L\x  
hcbv;[bG  
h!:~f-@j4  
5N*Ux4M  
S"k*6U  
规格：柱形抛物面反射镜 Gkv{~?95  
                         )V:]g\t  
 有抛物面曲率的圆柱镜 5-0{+R5v  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面
R@#G>4  
 曲率半径等于焦距的两倍 {aC!~qR  
Eb>78k(3I)  
nn9wdt@.]  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） njnDW~Snb  
Ttc[Q]Ri  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 0`A~HH}  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） Xy &uZ  
 离轴角决定了截切区域 pzgSg[|  
$aPfGZ<i  
规格：参数概述（12° x 46°光束） ] 0m&(9  
lF?tQB/a  
   {$^DMANDx  
3^~KB'RZ  
光束整形装置的光路图 ?9=9C"&s  
2'<[7
!  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 _fP&&}  
 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。 ]a3iEA2 (  
}sFm9j7yR  
反射光束整形系统的3D视图 S
#Sb]  
(nab
 
:C8$Xi_i}  
LtKI3ou  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 JHJ~X v  
 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）。 rf%7b8[v  
;kJA'|GX  
详述案例 5`RiS]IO]  
Pv+5K*"7Cg  
模拟和结果 2kUxD8BcN  
d4 (/m_HMu  
结果：3D系统光线扫描分析 D'hW|  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 okFvn;  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 NAzX". g  
|s)?cpb  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd A?T<",bO
 
\S)2  
使用参数耦合来设置系统 I;?X f  
h<\_XJJ  
zn@N'R/  
自由参数： xN@Pz)yo  
 反射镜1后y方向的光束半径 o!r8{L  
 反射镜2后的光束半径 zPKr/  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 5 VA(tzmCt  
 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。 `g1iCF  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 oo$MWN8a>r  
[J0v&{)?  
'2-oh  
&X]\)`j0  
x/:4{  
%&\jOq~  
@MK"X}3  
自由参数： =_8Tp~j  
 反射镜1后y方向的光束半径 @i3bgx>_o  
 反射镜2后的光束半径 Q9`QL3LQD  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） L~^*u_U]  
 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。 <_./SC  
8g>b  
cubk]~VD  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 P~FUS%39"o  
7
.+#zyF  
=4 X]gW  
结果：使用GFT+进行光束整形 8Z2.`(3c[  
-n? g~(/
P  
Gj /3kS~@  
Z2bcCIq4  
+"g~"<  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 j,2l8?  
W];EKj,3W  
swc@34ei\  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 S2VVv$r_6  
41 vL"P K  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ehAu^^Q>  
H_IGFZCh  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： \BI/G  
=BZ?-mIU  
mEuHl>  
,`8Y8  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd })IO#,  
7> Pgc
 
结果：评估光束参数 ; W7Y2Md  
Y+/lX6'  
%E27.$E_  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 Ld|V^9h1;  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 ! qJI'+_  
[Id}4[={e  
G7* h{nE  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 ER{3,0U  
 M2值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M2值是由光束偏离引起的） T_OF7?  
r5/R5G
a^  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd y^FOsr  
S C_|A9  
光束质量优化 "L2m-e6  
*N/hc  
qA/bg  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 ?4)v`*  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 u=qPzmywt  
%>XN%t'6aT  
结果：光束质量优化 s!6=|SS7  
/4joC9\AB  
8kW/DcLE  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。 CM~MoV[k7e  
"6I[4U"@  
5su.+4z\  
ibF#$&!  
 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。） ?(im+2  
+CTmcbyOi  
[l[
{6ZXt  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd :J(sXKr[C  
GH3#E*t+[  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 B[xR-6phW  
3DoRE2}  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 )45_]tk>  
Qm);6X   
IM-`<~(I#  
 这意味着参数变化是的正态 6d{j0?mM  
XS0V:<+,  
9)yG.9d1  
i@$-0%,  
1| xN%27>  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 =&0U`P$`  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。
3B,QJ&  
&jJckT  
A'DVJ9%xB  
s[-]cHQ  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 1-$P0  
R[yL_>  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） a8h
]n:!  
Jqg3.2q  
v"k4ATWP  
9oq)X[  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 POBpJg  
j+1KNH  
总结 hh&Js'd  
/`R dQ<($  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 R|t;p!T  
1.模拟 )Z:m)k>r;  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 deM~[1e[  
2.研究 kGD|c=K}  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 !3KPwI,  
3.优化 slSR=XOG  
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。 @9_)On9hZ  
4.分析 j_pw^I$C  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 FR'b`Xv:  
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。 WOH9%xv  
X RRJ)}P  
参考文献 4qBY%1  
[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). /'Bdq?!B&  
$SF3odpt  
进一步阅读 4sd-zl$Of  
dP3VJ3+ %  
进一步阅读 s=\7)n=,M  
 获得入门视频 R1 qMg
+  
- 介绍光路图 Spc&X72I  
- 介绍参数运行 Isp_U5M  
 关于案例的文档 ]n1D1  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens X)NWX9^;'  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens /'NUZ9  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing K-
<n`zg3  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair 0nT
%Slbih  
dp< auA  
&U0WkW  
QQ：2987619807