[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） h%Nbx:vKk  
S|8O$9{x9q  
二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 C<.t'|  
.kT5 4U;{  
3
f{%IU(z  
&S.zc@rN  
简述案例 E6-alBi%  
z90=,wd  
系统详情 _J51:pi  
 光源 *q%)q  
- 强象散VIS激光二极管 _BcYS  
 元件 }31z 35  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） ~67L  
- 具有高斯振幅调制的光阑 KB,!s7A  
 探测器 {.We%{
4V  
- 光线可视化（3D显示） b|c?xHF}K  
- 波前差探测 89B1\ff  
- 场分布和相位计算 k!]Tg"]JAh  
- 光束参数（M2值，发散角） {)eV) 2a  
 模拟/设计 XV2f|8d>  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 <d
To-P  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： y?-wjJS>  
 分析和优化整形光束质量 8KpG0DC  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 |5}{4k~9J  
<R:KR(bT  
系统说明 V*U7-{ *a  
m7 !Fb  
dG|srgk+  
模拟和设计结果 DVYY1!j<  
DTdL|x.{  
数值探测器结果 z(^p@&r)F  
x3L3K/qMg  
R Nr=M^Zn  
(r,RwWYm  
a%f5dj+  
总结 +fzZ\  
EX8:B.z`57  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 J4te!,  
1.模拟 ru)%0Cyx  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 -t %.I=|  
2.评估 WK#lE&V3  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 muQ7sJ9 r  
3.优化 `3r*Ae  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 io:?JnQSA  
4.分析 u~?]/-.TY  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 J3Q.6e=7  
7,|-%!p[  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 oZ%t!Fl1  
xYM!mcA  
详述案例 mxjY-Kq  
n$}c+1   
系统参数 E/_=0t  
SsafRK$  
案例的内容和目标 lN1T\  
BZsw(l4/0'  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 }mz4 3Sq<  
6R@ v>}  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 a+*|P  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 =Ze~6vS,  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 T:wd3^.CG  
9n!3yZVSe  
模拟任务：反射光束整形设置 Kd;
|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。 sJ?Fque  
sBF>a|  
P 2;j>=W  
blaxUP:  
n?aogdK$V  
!e.@Xk.P6  
规格：像散激光光束 [F+lVb  
Y cOtPS%  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ^'
]xkS  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 if:2sS9r  

V}7I? G  
RhbYDsG  
~|Gtm[9Ru  
Dw;L=4F |  
)e9(&y*o  
规格：柱形抛物面反射镜 |,t#Au}61  
                         ]Rnr>_>x;  
 有抛物面曲率的圆柱镜 <+sv
7"a  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 Tp[ub(/;7  
 曲率半径等于焦距的两倍 u;~/B[  
t 7;V`[  
^7TM.lE  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 5x4JDaG2  
FL0(q>$*8  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 +n^$4f  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） Lc+wS@  
 离轴角决定了截切区域 K!HSQ,AC  
6/s#'#jh  
规格：参数概述（12° x 46°光束） ![U|2x  
N\HOo-X  
   N$>g)Ml?  
~+QfP:G  
光束整形装置的光路图 cRT@Cu  
*Yl9%x]3c  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 =|pQA~UU#  
 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。 id&;

 
~naL1o_FZ  
反射光束整形系统的3D视图 Mh[;E'C6  
&'c1"%*%8>  
HWFo9as""v  
q*?LXKi  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 !95ZK.UT  
 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）。 gG~UsA  
~F+{P4%`<  
详述案例 HeNg<5v%Y  
rC[*x}  
模拟和结果 zg0)9br  
@FdtM<X  
结果：3D系统光线扫描分析 m+"?;;s  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 d*3k]Ie%5f  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 :JxSh
F:M  
80&JEtRh  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd *Jmy:C<>  
R4]t
D|  
使用参数耦合来设置系统 K82pWpR  
q*mNVBy  
a
5:YP  
自由参数： %mt|Dl  
 反射镜1后y方向的光束半径 U<KvKg  
 反射镜2后的光束半径 >j|.pi  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） bQrH8)  
 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。 b Zn:q[7  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 1ePZs$   
b{b2L.  
!WR(H&uBr\  
JC_Y#kN@z  
o(u&n3Q'  
F(Pe@ #)A  
#78p#E  
自由参数： |K,9EM
3  
 反射镜1后y方向的光束半径 ^j0Mu.+_  
 反射镜2后的光束半径 B<I%:SkF@  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） }'b3'/MJ  
 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。 wbyY?tH  
+=)< Su.  
S>/p6}3]  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 h*Rh:yCR>  
G{

pfyfF  
8
T):b2h  
结果：使用GFT+进行光束整形 UwvGw5)q  
`M6!V  
<IC=x(T  
\j+O |#`|)  
lQ<2Vw#Yl  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 {Uz@`QO3  
^&03D5@LoY  
N/p9Ws  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 Vl%AN;o  
m$ )yd~  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 d(3F:dbk  
{KxeH7S
 
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： c*-8h{}  
,^pM]+NF|  
@{iws@.  
{0nZ;1,m  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd XI} C|]#  
jrbEJ.  
结果：评估光束参数 n#uH^@#0  
n (7m  
=Mzg={)v  
 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。 OL4I}^*,  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 +dX1`%RR[  
K_{f6c<  
w,bILv)  
 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。 F[<EXLQ  
 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） }fpK{db  
jV]'/X<  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd zlF*F8>m  
?&I gD.  
光束质量优化 K{.s{;#  
x|d Xa0=N_  
bE#=\kf|  
 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。 P~Q5d&1SO  
 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）。 RrSSAoz1  
)xX(Et6+`  
结果：光束质量优化 6&M $S$y  
%jdV8D#Q  
^m;dEe&@F  
 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。 J]UlCg  
QWH1xId  
>!s=f  
WMnR+?q  
 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。） (JH LWAH  
 F's($n  
f{xR s-u]  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd h#'(i<5v  
}YW0?-G.$  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 )67_yHW  
!%5ae82~3  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 @'C f<wns  
C9E l {f  
0,)B~|+  
 这意味着参数变化是的正态 ML'4 2z Y  
zWoPa,  
YLmzMD>  
34
-
QgE  
#P.jlpZk  
 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。 5JW+&XA  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 }hrLM[  
1|bu0d\]  
06"p^#  
k@JDG]R<{  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run [hTGWT3  
OSk:njyC[  
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） vZj^&/F$=g  
Uhfm@1 cz&  
#u~s,F$De  
0* <gGC  
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。 yn<H^c  
K-IXAdx  
总结 ^8$CpAK]M  
Y^m2ealC  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 jXvGL  
1.模拟 Y$b4Ga9j  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 6NH.!}"G9  
2.研究 lS]<~  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 <8Ek-aNNt  
3.优化 1{4d)z UB  
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。 kKVd4B[#*  
4.分析 s,m+q)  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 biG=4?Xl  
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。 wNL!T6"G  
ljVtFm<  
参考文献 []:;8fY  
[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). !|_b
}/  
.w/#S-at  
进一步阅读 fL.;-  
r?
Jxl<  
进一步阅读 LO]D XW 9  
 获得入门视频 Nv "R'Pps  
- 介绍光路图 ATCFdtNc  
- 介绍参数运行 1MHP#X;|  
 关于案例的文档 0#4_vg .  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens GdG1e%y]z  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens *F*c  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing (rO_Vfaa  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair S>}jsP:V  
!R;P"%PHV  
E]w1!Ah M  
QQ：2987619807