[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） w-).HPe  
R@\fqNq  
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& [!+s:2J  
]OpGD5jZ  
HNZ$CaJh  
W{NWF[l8O?  
简述案例 XDK Me}  
ekx(i QA  
系统详情 eD*764tG  
 光源 5<Kt"5Z%7  
- 强象散VIS激光二极管 ^#5'` #t  
 元件 )!(gS,  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） Y{dSQ|xz^  
- 具有高斯振幅调制的光阑 /JNG}*  
 探测器 FK BRJ5O  
- 光线可视化（3D显示） -Mo4`bN  
- 波前差探测 Uw4iWcC  
- 场分布和相位计算 c!@|yE,  
- 光束参数（M2值，发散角） {aE[h[=r  
 模拟/设计 UP#@gxF  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 A!Tl  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： BB}WfA  
 分析和优化整形光束质量 / Xnq0hN  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 bK "I9T #  
$_JfM^w  
系统说明 O72g'qFPE  
Gs#9'3_U5  
|QS|\8g{0V  
模拟和设计结果 PTHxvml  
#19O5  
数值探测器结果 R&1>\t  
Y
6wr}U  
:V(C+bm *  
33%hZ`/>  
m03dL^(   
总结 2IJniS=[>  
/CALXwL  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 #>yOp
*  
1.模拟 A^lm0[3q  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 x|Uwk=;X|s  
2.评估 |kmP#`P~  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 j&ti "|2\  
3.优化 3MX#}_7A  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 QXj#Brp  
4.分析 (bm> )U=  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 a@g <cl7a,  
 XY)X-K$  
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。 N+~ MS3  
*L?~  
详述案例 AXcmN  
<=CABWO.  
系统参数 '(iPI  
54{E&QvL8o  
案例的内容和目标 ?uCL[  
y ;mk]  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 RAa1^Qb  
7OLHYt9  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 RH,x);
J|  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 Y4YZM  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 K1YxF  
&y0GdzfQd  
模拟任务：反射光束整形设置 WBKf)A^S  
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。 ;Q3[} ]su  
BZLIi O  
/nv*OKS|  
Sv=e|!3f[k  
Y'1 KH}sH  
@|h9jx|  
规格：像散激光光束 G9&2s%lu.e  
Sa)sDf1+`  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 fAkfNH6  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 =XYc2.t  
~(*tcs]hY  
Sg%s\p]N_#  
'<,Dz=
 
T!?tyW  
L~/L<Ms  
规格：柱形抛物面反射镜 {oOUIP  
                         1tO96t^d%  
 有抛物面曲率的圆柱镜 0NSw^d
O\  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ZweAY.]e  
 曲率半径等于焦距的两倍 jD<xpD  
d<Lc&wlP  
RU#}!Kq  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） .[eC w  
S/*\j7cj  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 IkmEctAU  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） @=z.^I30  
 离轴角决定了截切区域 h+Lpj^<2a  
^?]-Q*w3Qs  
规格：参数概述（12° x 46°光束） q%M~gp1  
bD/ZKvg  
   Kt qOA[6  
zrSYLG  
光束整形装置的光路图 3O4,LXdA  
vC1fKo\p  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 }UcdkKq  
 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。 )sQ/$gJ  
=!DX,S7  
反射光束整形系统的3D视图 Q)XH5C2X  
iEI#J!
~  
_'G'>X>}WU  
X'\h^\yOo  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 r"K!
]Vw  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 ;:oXe*d  
G2y1S/  
详述案例 kWa5=BW2f  
^B%ki  
模拟和结果 gREk,4DAv  
YH+(N  
结果：3D系统光线扫描分析 bxwwYSS  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 K:XP;#OsP  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 xR$T/]/  
%=*|:v
 
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 8kcMgCO  
OqRRf  
使用参数耦合来设置系统 -Op^3WWyY  
+-),E.  
RiAMW|M"C  
自由参数： <-' !I&  
 反射镜1后y方向的光束半径 [\eVX`it  
 反射镜2后的光束半径 %A3m%&(m&%  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） {7DXSe4  
 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。 G0Z5h  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 dg~lz80  
RhB)AUAj  
!U}2YM J  
F =*4]O  
KX;JX*)J  
.9Cy<z  

>r\GB#\5  
自由参数： 1MO-60  
 反射镜1后y方向的光束半径 j `!Ge  
 反射镜2后的光束半径 ){)
-}M  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） L#'XN H"  
 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。 a}FY^4hl+  
Id`V`|q  
5_](N$$  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 Iw.!*0$
 
\1<|X].jNY  
M?My+oT  
结果：使用GFT+进行光束整形 s I\-0og  
DrioBb@  
opm_|0  
&
b^~0Z  
(K8Ob3zN_  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 )=iv3nF?6N  
?ZGsh7<k  
{PxFG<^U  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 k]$oir  
z7sDaZL?_  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 VJTO:}Q  
7$g$p&,VX  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： yZ[g2*1L  
^dk$6%0  
J]Z~.f="  
U+>M@!=  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd O<V 4j,  
pZ\7!rON  
结果：评估光束参数 vC@^B)
5gb  
Xj{fM\,"9  
6i+,/vr  
 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。 a9p:k ]{  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 $Z;/Sh  
YI7M%B9Lj  
d,l?{Ln  
 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。 WG6 0  
 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） 3 1-p/  
.?QYqGcG  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd S:}"gwFM  
QM3DB  
光束质量优化 $qYP|W
 
6*>Lud  
7XyCl&Dc:  
 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。 4LB8p7$|a3  
 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）。  `ROHB@-  
<]1,L%  
结果：光束质量优化 EmcLW74  
:zKMw=  
kUS]g r~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。 !*"fWahv  
HW~-GcU-o  
D%yY&q;  
u)<s*jk  
 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。） jci,]*X4  
9>9EZ?4m  
`wtso  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 1]~w?)..'  
3rKJ<(-2/  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 J,CwC
)  
q{Z#}|km#  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 &LAXNk2  
/ 'qoKof  
-%yrs6  
 这意味着参数变化是的正态 -g2l-N{&  
Is7BJf  
I6f/+;E  
.nrllVG%`  
%k1Pyv;]  
 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。 '{jr9Vh  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 pCh v;  
[TFJb+N
&  
(n*:LS=0  
s||" } l  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run .M^[/!  
s4"OsgP+  
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） PT6]qS'1  
<R /\nYXz  
b[<R
cM{r}  
\4>,L_O  
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。 '&![h7B  
LjBIRV7  
总结 [^5;XD:%&l  
O[C4xq  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 )e,O+w"  
1.模拟 (6S'wb  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 aE`d[dSG  
2.研究 IQ I8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。 s;Gd`-S>d  
3.优化 Zj_2>A  
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。 h<LFTYE@  
4.分析 aZWj52  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 r\;fyeH  
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。 BHUI1y5t  
C}RO'_Pq  
参考文献 cgMF?;V  
[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). X@\W* nq  
 -BSdrP|  
进一步阅读 Kp`{-dUf  
H&)}Z6C"  
进一步阅读 Db,"Gl  
 获得入门视频 \_ 3>v5k|  
- 介绍光路图 "=djo+y  
- 介绍参数运行 X/,)KTo7  
 关于案例的文档 \l~^dn}  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens $8=|<vt  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens x=oV!x  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing -&5YRfr!  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair P]43FPb  
hO=L|BJ?I  
G#n 4g:K  
QQ：2987619807