[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） 0-oR { {  
Wt"fn&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 ,)@Q,EHN;  
S2HG
f~rE  
i<YatW~Pu  
k^
}8=,j}  
简述案例 ?J<Y]  
b?hdWQSW7  
系统详情 -%I]Q9  
 光源 NX4!G>v  
- 强象散VIS激光二极管 T9osueh4  
 元件 =cs;avtL  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） >%h_ R:  
- 具有高斯振幅调制的光阑 (`>RwooE
 
 探测器 ZTfs&5  
- 光线可视化（3D显示） Y4sf
2w  
- 波前差探测 n4h@{Xg  
- 场分布和相位计算 0C#1/o)o  
- 光束参数（M2值，发散角） /d ?)  
 模拟/设计 AkrUb$ }  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 {0+gPTp  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： {s6;6>-kPW  
 分析和优化整形光束质量 HF" v \  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 g7res  
jhr{JApbJv  
系统说明 .iNPLz1  
n_Px=s!1p@  
m646|G5  
模拟和设计结果 *y9 iuJ}  
"45O!AjP  
数值探测器结果 {}H5%W  
()6)|A<^U  
AdxCP\S&  
awQf$  
`VCU`Y
  
总结 )sWdN(E3  
h7c8K)ntnf  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Nc:, [8{l  
1.模拟 4#MvOjA5[  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 b*S:wfw  
2.评估 -h%;L5oJ2,  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 <cW$ \P}hV  
3.优化 >Ip>x!wi  
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。 AmNmhcN  
4.分析 cobq+Iyu  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 :[z=u  
Gnop  
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。 Y O;N9wu3f  
UKMr,{iy  
详述案例 qMD6LWJ  
xwhH_[  
系统参数 pV]m6!y&  
:uy8$g*;TE  
案例的内容和目标 rs2G{a  
Sh(  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 u;18s-NY  
;|Idg"2  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 m:CiXM   
 之后，研究并优化整形光束的质量。 7K>FCT  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 Y0fX\6=h  
AD^9?Z  
模拟任务：反射光束整形设置 rK)aR  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 ~n9BN'@x  
/( %Q  
6*9hAnH  
t"k6wv;Tq  
%m$TV@  
=Bo(*%  
规格：像散激光光束 ^Lr)STh  
(dn(:<_$  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 5 fY\0  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 xzTTK+D@  
o?@,f/"5  
V1 T?T9m  
k0~mK7k  
d%VG@./xq  
Nv}'"V>  
规格：柱形抛物面反射镜 #ak2[UOT  
                         :fz&)e9  
 有抛物面曲率的圆柱镜 <cm,U)j2  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ]o`qI#{R~R  
 曲率半径等于焦距的两倍 zBD ?O!  
}mQ7N&cC  
W<C \g~\  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） |fnP@k  
gp'9Pf;\[  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 OEmz`JJ67  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 4UD<g+|  
 离轴角决定了截切区域 x LR 2H>B}  
LN}eD\  
规格：参数概述（12° x 46°光束） ]7" W(  
yx?Z&9z <  
   !i=LQUi.  
0; GnR0  
光束整形装置的光路图 ZD\`~I|gp  
=c>2d.^l  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 q8%T)$!  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 )7@f{E#w  
~Z-M?8:  
反射光束整形系统的3D视图 7pH`"$  
`F5iZWW1  
1Q1NircJ  
dU%Q=r
8R  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 .w=(
 G  
 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）。 6vp\~J  
^_W+
 
详述案例 ;mH O#  
|@#37  
模拟和结果 h
?E[28QB  
_aa3
;kT_  
结果：3D系统光线扫描分析 ^UI{U1N~Bz  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 B1dVHz#  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。  pleLdGq  
OI0#@_L&  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd _K"|}bM  
`kb]tf  
使用参数耦合来设置系统 2Zt :]be  
_~V
7m  
-4ityS @  
自由参数： wBz?OnD/D  
 反射镜1后y方向的光束半径 XFpII45  
 反射镜2后的光束半径 ~\_aT2j0  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） +oa\'.~?  
 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。  1@Abs  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 gzfs9e  
xCU^4DO3p  
tPu0r],`o  
:pj00  
lbM)U  
x\taG.'zX  
$:IOoS|e  
自由参数： Ip#BR!$n  
 反射镜1后y方向的光束半径 }uWIF|h~  
 反射镜2后的光束半径 zbQ-l1E  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） -*xm<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。 7|4t;F!  
E"d\N-I  
~aKM+KmtPH  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 Z*&y8;vUQ  
K@av32{  
%04N"^mT'~  
结果：使用GFT+进行光束整形 #oBMA  

P$LHsg]  
zN}1Qh  
<T]BSQk  
1aEM&=h_W  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 b[5$$_[  
cp D=9k!*K  
P<<?7_ ??  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 Gk~QgD/Pix  
q\+khy,k  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 M"cB6{st[  
qm RdO R  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： W(jXOgs+_  
,/{(8hn  
mqw5\7s?  
\:>GF-Z(  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd +um Ua  
>q W_%  
结果：评估光束参数 XLwmXi  
b6KO_s:'g  
`re9-HM  
 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。 P#e1?  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 E?$|`<o{|`  
DH7B4P  
%V r vu5  
 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。 BS-nny
  
 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） %N((p[\H  
)ro3yq4??  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd Fk&W*<}/;  
ZR|)+W;  
光束质量优化 -P I$SA,  
n*%o!=  
 :{#%_^}k  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 y2"PKBK\_  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 05$;7xnf(  
&x~&]  
结果：光束质量优化 +rT%C&ze  
um/2.Sn>  
Z0o+&3a6  
 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。 wUUDq?!k\  
<5Ft3sd  
.MoOjx?  
K})=&<M0  
 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。） XwI~ 0  
\BIa:}9O  
a/})X[2  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd Cxn<#Kf\-<  
~|W0+&):  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 {_#~&IQ  
E;$;
g#ksf  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 kzMul<>sl  
:0G_n\  
^]x%z*6  
 这意味着参数变化是的正态 )Dg;W6  
1|]IWX|  
,tt .oF|  
{2|[7oNT6  
G9`;Z^<L  
 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。 hLs<g!*O  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 j`fQN  
J%8M+!`F  
X@ zw;Se  
A&HN7C%X  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run [w0@7p"7
 
 O=,[u?  
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） &sFEe<  
'hEvW  
nRP|Qt7>  
S5Hb9m&&  
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。 pQQN8Y~^Y  
)K=%s%3h<  
总结 bOEO2v'cQ  
Yf=an`"  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 VR8 kY&  
1.模拟 vbo|q[z  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 8R3x74fL  
2.研究 x.5!F2$  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 \&{a/e2:S  
3.优化 fGeDygV^`  
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[VnXP  
4.分析 Q9i&]V[`  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 k-:wM`C  
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。 }9Th`   
TFfV?rBI  
参考文献 S.<aCN<@  
[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). A`'k5uG  
$;4y2?E  
进一步阅读 t2L}  
?%|w?Fdx-  
进一步阅读 0XcH  
 获得入门视频 lx'^vK%F  
- 介绍光路图 uwL^Tq}Yh  
- 介绍参数运行 Qu x1N  
 关于案例的文档 vz$_Fgsc.  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens h_( #U)z_3  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens Mr0<b?I  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing kFRl+,bi~  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair ifXGH>C  
pmWt7 }  
O(R1D/A[  
QQ：2987619807