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    [分享]反射光束整形系统 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2020-11-17
    光束传输系统(BDS.0005 v1.0) u=e{]Ax#}  
    !j-Z Lq:;  
    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 wUJcmM;  
    oQJtUP%  
    =7UsVn#o  
    V !~wj  
    简述案例
    1< ?4\?j  
    $%f&a3#  
    系统详情 2&cT~ZX&'  
    光源 o)/ 0a  
    - 强象散VIS激光二极管 j1<Yg,_.p  
     元件 )boE/4  
    - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) J<lW<:!3]  
    - 具有高斯振幅调制的光阑 cU  
     探测器 RxQ*  
    - 光线可视化(3D显示) xoME9u0x4  
    - 波前差探测 Q+{n-? :  
    - 场分布和相位计算 0=$T\(0g  
    - 光束参数(M2值,发散角) {n=|Db~S  
     模拟/设计 2~[juWbz  
    - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 t_1L L >R  
    - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): VIbq:U  
     分析和优化整形光束质量 [V`r^  
     元件方向的蒙特卡洛公差分析 K (|}dl:  
    nJ;.Td  
    系统说明 e|r`/:M  
    }6ldjCT/,  
    lEBLZ}}\  
    模拟和设计结果 NHE18_v5  
    _#8MkW#]~  
    J .<F"r>  
    场(强度)分布                                   优化后
    数值探测器结果 Iga0 24KR  
    vih9 KBT  
    4^d?D!j  
    y1#1Ne_  
    B<C&xDRZ0  
    总结 Ho]su?  
    :23P!^Y  
    实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 6S{l' !s'  
    1.模拟 -Qe'YBy:  
    使用光线追迹验证反射光束整形装置。 @(lh%@hO  
    2.评估 HVAYPerH  
    应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 nr#|b`J]  
    3.优化 2KZneS`  
    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。 nr3==21Om4  
    4.分析 moE2G?R  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 GtHivC  
    lLIA w$  
    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。 C_Wc5{  
    uw8f ~:LT  
    详述案例 cH)";] k*-  
    e}W)LPR!  
    系统参数 k;W XB|k  
    5-A\9UC*@  
    案例的内容和目标 e#q}F>/L  
    dF2RH)Ud  
    在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 ")25 qZae  
    o !7va"  
    C9;kpqNG#u  
     目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ,"ql5Q4  
     之后,研究并优化整形光束的质量。 q cno^8R  
     另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 @%SQFu@FJ  
    D&zle~" J  
    模拟任务:反射光束整形设置 T^q 0'#/  
    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。 jj>]9z  
    A%-6`>  
    tf G@&&%9  
    b`_Q8 J  
    zBH2@d3W  
    XX~,>Q}H=  
    规格:像散激光光束 LgYq.>Nl9  
    aQ~s`^D  
     由激光二极管发出的强像散高斯光束 nRY5xRvK  
     忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 2T`!v  
    wQLSf{2  
    i mM_H;-X  
    1:wQ.T  
    w*Ihk)  
     2Rz  
    规格:柱形抛物面反射镜
    H)&R=s  
                             . ]M"# \  
     有抛物面曲率的圆柱镜 azU"G(6y?+  
     应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 F1hHe<)  
     曲率半径等于焦距的两倍 |K~Nw&rZ]  
     S[QrS 7  
    jFb?b6b  
    规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) H[|~/0?K  
    B?wq=DoG  
     对称抛物面镜区域用于光束的准直 .sA.C] f  
     从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) uIrG*K  
     离轴角决定了截切区域 LHmZxi?  
    t:c.LFrF  
      
    规格:参数概述(12° x 46°光束) B\n[.(].r  
    uVU)d1N  
       qY#6SO`_iy  
    )CyS#j#=  
    光束整形装置的光路图 `,0}ZzaV&  
    -{_PuJ "  
    MY/}-* |  
     由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 /Q )\+  
     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。 59-c<I/}f  
    :i7;w%B  
    反射光束整形系统的3D视图 +^<](z  
    DeYV$W B  
    P }uOJVQ_  
    S@sO;-^+  
    光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 07$o;W@  
     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)。 fn!KQ`,#  
    39jG8zr=Z[  
    详述案例 R FH0  
    M@ZI\  
    模拟和结果 X 8`Sf>  
    Lh<).<S  
    结果:3D系统光线扫描分析 9k=3u;$v  
     首先,应用光线追迹研究光通过光学系统 IIqUZJ  
     使用光线追迹系统分析仪进行分析。 abEmRJTmW  
    1i ] ^{;]  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd M#[{>6>iE  
    l lsfTrp  
    使用参数耦合来设置系统 wvPk:1wD5  
     7[wieYj{  
    .>nRzgo  
    自由参数: !g.?  
     反射镜1后y方向的光束半径 _-Fs# f8  
     反射镜2后的光束半径 VD\=`r)nT  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) b_):MQ1{  
     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。 wa3}SB  
     对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。  rXU\  
    T,tdL N-  
    k;L6R!V  
    8e|%M  
    $tS}LN_!  
    tRfo$4#NY  
    kSh( u  
    自由参数: _/K_[w 1  
     反射镜1后y方向的光束半径 AzxXB  
     反射镜2后的光束半径 })?GzblI&  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 8&aq/4:q0  
     基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 E@3aI Axh  
    O0y_Lm\  
    Ub!(H^zu  
     如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 "w.3Q96r  
    ""|Qtubv  
    ?3xzd P  
    结果:使用GFT+进行光束整形 RdML3E  
    }Z,x~G  
    !GGkdg*-*9  
    &JI8]JmU)  
    b>N8F^}~O  
     现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 K6)j0 ]K1  
    3Ims6I]  
    k)Qtfj}uij  
     由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 E+w<RNBmz  
    H'hpEw G  
     不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 o.l- 7  
    \;"=QmRD%:  
     产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: u-5{U-^_  
    &IB|rw'9  
    6f*CvW  
    N' `A?&2ru  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 3;s\OW`  
    /RC7"QzL  
    结果:评估光束参数 )TH@# 1  
    KMjhZap%  
    J~UuS+Ufv  
     从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 EJNU761  
     在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 %F4%H|G  
    p"ZG%Ow5Q]  
    .xWC{}7[  
     整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 vOpK Np  
     M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的) s+?zL~t  
    e;}7G  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd e&aWq@D  
    8eHyL  
    光束质量优化 u^qT2Ss0  
    ~1vDV>dpE  
    UQ@L V~6{R  
     通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 _t #k,;  
     之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
    c|@bwat4  
    d,n 'n  
    结果:光束质量优化 wT8DSq  
    g~A`N=r;h  
    DX K?Cv71z  
     由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 6MMOf\   
    <T|3`#o0  
    &AbNWtCV+G  
    !NvI:C_4|  
     然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) oEKvl3Hz_  
    U0N 60  
    }oGA-Qc}B  
    file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd "]b<uV  
    FSW_<%  
    反射镜方向的蒙特卡洛公差  DwE[D]7o  
    ]>nk"K!%  
     对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 ~<F8ug #  
    y''z5['  
    0*D$R`$  
     这意味着参数变化是的正态 CD ( :jM?  
    65$+{s  
    ofw3S |F6  
    *kDCliL  
    Fgh_9S9J  
     对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 UIN<2F_  
    这意味着,波前对对齐误差很敏感。 iE^84l68  
    qwgPk9l  
    YvyNHW&  
    ;LSANr&  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run dV$gB<iS  
    ;dZZ;#k%  
    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) Hp!-248S  
    E GU 0)<  
    Q%tXQP.r  
    ryUQU^v  
    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。 c"V"zg22  
    BdblLUGK#  
    总结 O$j7i:G'5  
    RF4vtQC=  
    实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 'RYIW/a  
    1.模拟 YdC6k?tzS  
    通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Mhf5bN|wQ  
    2.研究 ]e>w }L(gV  
    为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 FX`>J6l:X  
    3.优化 gANuBWh8T  
    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。 Z|j>gq  
    4.分析 *>'V1b4}  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 Wk4s reB  
    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。 Tc &z:  
    u^bidd6JRn  
    参考文献 cyv`B3}  
    [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). {Y=WW7:Qx  
    1&evG-#<:  
    进一步阅读 @oY~..d`  
    A_ N;   
    进一步阅读 2E/"hQw  
     获得入门视频 )E@.!Ut4o  
    - 介绍光路图 0s3%Kqi[  
    - 介绍参数运行 =eXU@B  
     关于案例的文档 dIa+K?INX  
    - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens (\hx` Yh=>  
    - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens [{<`o5qR  
    - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing #9}D4i.`}  
    - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair bvr^zH,C  
    FR4QUk  
    ukfQe }I  
    QQ:2987619807
     
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