[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） Vur$t^zE  
HW"|Hm$Y(  
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 ,!|/|4vh  
g[44YrRD  
II)\rVP5  
m7^aa@^m  
简述案例 z6B/H2  
s,"<+80%  
系统详情 6/wAvPB$  
 光源 *pk*ijdB  
- 强象散VIS激光二极管 v6HBO#F'V{  
 元件 m-dne/%_  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 234OJ?  
- 具有高斯振幅调制的光阑 (i1FMd}G  
 探测器 x$J1%K*  
- 光线可视化（3D显示） c\-5vw||b  
- 波前差探测 8V;@yzIha  
- 场分布和相位计算 :qc@S&v@]  
- 光束参数（M2值，发散角） *O#%hTYq  
 模拟/设计 h$DFp  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 EJ.oq*W!*J  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： VThcG( NF  
 分析和优化整形光束质量 @T._   
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 GX&BUP\
 
ANc)igo  
系统说明 7UejK r  
"nU5c4   
Q$Ga
.fI  
模拟和设计结果 8t!(!<iF0  
6,G1:BV{K  
数值探测器结果 ]Io
J(4f  
.|JJyjRA+  
xpxUn8.  
u&/q7EBfP  
hq6fDR
O/4  
总结 :@rE&  
2BXpk^d5y  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 u01 'f-h  
1.模拟 ;3U-ghj  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 Sav]Kxq{  
2.评估 lTvI;zy  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 zIi|z}WJ  
3.优化 oN)l/"%C7/  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 h=.|!u  
4.分析 dQYb)4ir  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 gD3s,<>o  
S(
.AE@U  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 o%i^t4J$e  
!jN}n)FSq  
详述案例 mvO!Y
 
rIH/<@+  
系统参数 upg?  
{E-.W"t4  
案例的内容和目标 SG_
^Rd9 D  
((Ak/qz  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 _T&?H&#  
R 5-q{  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 15+>W4v  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 E0!}~Z)  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 `uM:>  
z8_m<uewz  
模拟任务：反射光束整形设置 Py$Q]s?\1  
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。 GwQW I]  
|iKk'Rta4  
mE'y$5ZxY  
GR@!mf  
-$**/~0zU  
b6:A-jb*I  
规格：像散激光光束 T6h-E^Z  
L^bt-QbhO  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 NUbw]Y90~  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 /ts=DxCC;  
p4Cw#)BaS  
^u&oS1U  
GmP)"@O](;  
) DXN|<A  
3I&=1o  
规格：柱形抛物面反射镜 R*a5bKr  
                         0B fqEAl  
 有抛物面曲率的圆柱镜 >/mi#Y6  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 0D/u`-  
 曲率半径等于焦距的两倍 BZejqDr*  
aDmyr_f$  
Hy^Em  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） NAjY,)>'K  
(DJLq  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ]E'BFon  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） i!+D ,O  
 离轴角决定了截切区域 Z:DEET!c'k  
-1iKeyyA  
规格：参数概述（12° x 46°光束） Ls{z5*<FM  
<~;
;iM6  
   }/&Q\Sc
  
!>fYD8Ft,  
光束整形装置的光路图 ,Tc3koi  
7K.&zn  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 g
whd) .*  
 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。 @)PA9P |  
xxkUu6x#  
反射光束整形系统的3D视图 Wt5x*p-!C  
g?`g+:nug  
W9n0Jv  
]T|9>o!  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Q
R4rQu  
 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）。 F}3<q   
VH[r@Pn  
详述案例 K*iy^}  
#:C;VAAp  
模拟和结果 3D_Ky Z~M+  
f0p+l-iEv  
结果：3D系统光线扫描分析 !<r+h,C  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 0q'd }DW  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 6BM[RL?T  
7pMl:\  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd u.;zz'|  
n][/c_]q  
使用参数耦合来设置系统 !Ic;;<
 
.K`OEdr<  
A{\#.nC/z  
自由参数： @(>XSTh9  
 反射镜1后y方向的光束半径
 aEUC  
 反射镜2后的光束半径 J)1:jieQ  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 1HQh%dZZ  
 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。 fxfzi{}uj  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 uC\FW6K=m  
gXr"],OM;  
A4LGF  

Y[%1?CREP  
b3(pRg[Fp  
z_qy>  
9$,x^Qx  
自由参数： 7sP;+G  
 反射镜1后y方向的光束半径 LhM{LUi  
 反射镜2后的光束半径 )|;*[S4  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） OLXkiesK{  
 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。 +pYrAqmO-  
W:Rs 0O  
a*LT<N  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 u] C/RDTH  
fR_ jYP1  
]zp5 6U|xa  
结果：使用GFT+进行光束整形 Bvzu{B%  
G| 7\[!R  
whb|

N2  
6OYXcPW'  
H /Idc,*  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 Ol,;BZHc\  
<S~_|Y*v  
;t!n%SnK9!  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 'Cy^G;  
KTn,}7vZ  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 <hi@$.u_Q^  
!:e|M|T'I*  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： "|W .o=R  
3L/qU^`  
PfX{n5yBW8  
X!5N2x  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd M=[/v/M=  
:V2"<]  
结果：评估光束参数 [vki^M5i|Z  
u#5/s8  
v-6"*EP  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 /UeLf$%ZW  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 -1Y9-nn[m  
a]:tn:q  
YArNJ5z=  
 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。 iO=xx|d  
 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） gr %8 O-n  
?]gZg[  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd <*L=u;  
tB.;T0n  
光束质量优化 '^'4C'J  
^q6H =Dl  
}aYm86C]  
 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。 MhC74G  
 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）。 k5G(7Ug=g~  
3_=~7B) 8  
结果：光束质量优化 ln.kEhQ3B  
Vzy]N6QT{  
xO'I*)  
 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。 (^GVy=  
lJ]r%YlF  
1"46OCu{  
N_<sCRd]9  
 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。） bb;fV  
PJj{5,#@3  
^B@4 w
\t  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd T#Pz_ hAu  
8o8FL~&]  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 o;Ijv\Em  
RAKQ+Y"nl  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 A/N*Nc  
XuJwZN!(  
%sC,;^wla'  
 这意味着参数变化是的正态 sBuJK'  
mOwgk7s[J  
1_:1cF{w  
"FQh^+  
"M6a_rZ2W  
 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。 7ka^y k@Q  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 G B!3` A%&  
Y~1}B_  
R7*Jb-;$!  
/Nq!^=  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ih`/1n  
~l!(I-'?g  
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） $gDp-7  
`.;7O27A^%  
uZZ[`PA(  
e<5+&Cj  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 ^ vI|  
:w_F<2d0 0  
总结 AX**q$'R  
0w\X  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 3iYz<M  
1.模拟 567ot|cc  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 wlqV1.K  
2.研究 L:YsAv  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 QOuy(GY  
3.优化 GQqw(2Ub}  
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。 1E$
Z]5C9  
4.分析 S "oUE_>  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 2`5(XpYe  
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。 $Br^c< y  
s cR-|GuZ  
参考文献 &o"Hb=k<  
[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). .u7
d  
?3SlvKI}H`  
进一步阅读 +azPpGZ=  
+^YV>;  
进一步阅读 UQ|0Aqwq  
 获得入门视频 -Kg@Sj/U}R  
- 介绍光路图 yD1*^~loJ  
- 介绍参数运行 t)XV'J  
 关于案例的文档 L:Wy- Z  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens i?=3RdP/R1  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens };oRx)  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 3\=8tg p  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair C*Ws6s>+z  
 p<*-B  
';aPoaO %  
QQ：2987619807