[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） #)hJ.0~3  
TaI72"8  
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 _Nmc1azS  
zv}3Sl@  
lZ![?t}2`  
>GV= %  
简述案例 :$J4T;/{  
>^5UXQr  
系统详情 EmO{lCENk  
 光源 >azTAX6L3  
- 强象散VIS激光二极管 i{+W62k*  
 元件 6)_svtg  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） x%d\}%]  
- 具有高斯振幅调制的光阑 ]> dCt<  
 探测器 o,yP9~8\  
- 光线可视化（3D显示） SZ'2/#R>  
- 波前差探测 9C_Vb39::$  
- 场分布和相位计算 M~jV"OF=  
- 光束参数（M2值，发散角） v@^P4cu;  
 模拟/设计 ^< o"3?  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 48 n5Y~YS  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： Zj]jE%AT  
 分析和优化整形光束质量 eNEMyv5{w4  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 !:<(p  
f;7I{Z\<  
系统说明 "0ZBPp1q  
'W2B**}  
\p%,g&^ x  
模拟和设计结果 D`e6#1DbJ  

0 P]+/  
数值探测器结果 Q?uHdmY*X  
#
D2.RN  
Q]v><  
K#>@T<  
c>}fy  
总结 H0P:t(<Gt  
aViZKps`m  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Un.u{$
po  
1.模拟 ]8;2Oh   
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 )GC9%mF;  
2.评估 zD z"Dn9  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 p}:"@6
  
3.优化 []I_r=  
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。 9iy3 dy^  
4.分析 .WV5Gf)  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 5tG\5  
fp`k1Uq@  
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。 a58]
#L~  
8v V<A*`  
详述案例 B65"jy  
xb22:  
系统参数 abgAUg)  
cq#=Vb  
案例的内容和目标 \zMx~-2oN  
$ctpg9 7  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 ?[z@R4at  
li7"{+ct  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 E-?@9!2 &  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 }VDJ  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ^|j @' @L  
Sz'H{?"  
模拟任务：反射光束整形设置 Gjka %  
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。 :% m56  
o_@6R"|  
`vc?*"  
=`W#R  
Y4j%K~lsY  
aP}30E*Y  
规格：像散激光光束 .wvgHi  
kX8Ey  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 V|`w/P9g4  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 e]k\dj;,^%  
4ynGXJmMlR  
(\o &Gl  
|Zm'!-_  
]~d!<x#+  
RJa1pYK  
规格：柱形抛物面反射镜 >Nr~7s  
                         7S.E,\Tws  
 有抛物面曲率的圆柱镜 8d|#W  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 K^f&+`v6_  
 曲率半径等于焦距的两倍 trm-&e7q?;  
y??^[ sB  
$dkkgsw7
 
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 5JggU  
:9Mqwgk,;3  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 A=bBI>GEYP  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 2'T uS?  
 离轴角决定了截切区域 W)p?cK`  
kB3@;z:  
规格：参数概述（12° x 46°光束） >yr1wVS  
"^&Te%x_b  
   _<m yM2z  
d6vls7J/4  
光束整形装置的光路图 ]3&BLq  
8h'*[-]70u  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 >#EOCo  
 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。 \@F~4,VT  
1!p7N$QR  
反射光束整形系统的3D视图 ||^+(  
>(BAIjF E\  
E;-*LT&{  
"*JyNwf  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 u1) #^?  
 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）。 .X;DI<K  
3\E G  
详述案例 pZV=Co3!I  
r";;Fk#5  
模拟和结果 AoFxho  
Z,JoxK2"  
结果：3D系统光线扫描分析 ]aI   
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 klxNGxWAX  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 hyVBQhk  

e763yd  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Z>(K|3_  
Xcw6mpLt  
使用参数耦合来设置系统 mT&?DZ9<  
y$`@QRW  
?my2dd,|  
自由参数： C|-QU  
 反射镜1后y方向的光束半径 `g^bQx  
 反射镜2后的光束半径 Pt\GVWi_t  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） [I2vg<my  
 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。 s]'EIw}mo  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 FfpP<(4  
Qa@] sWcM  
R>y/Y<5=  
3fd?xhWbN  
RZbiiMC>  
"pTU&He  

qj1Fj  
自由参数： v0u, :eZ4  
 反射镜1后y方向的光束半径 ]%eyrbU  
 反射镜2后的光束半径 |h^]`= 3  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） v]c+|
nRs  
 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。 ?G<.W
[3  
<Wa7$hF  
-W.bOr  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 h)pYV>!d  
e!oL!Zg  
~=k?ea/>  
结果：使用GFT+进行光束整形 6YF<GF{  
rq![a};~  
G6q*U,  
f?W"^6Df  

(,;4f7\  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 gtRVXgI  
ykD-
L^}  
5nS}h76mZ  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 !eA6Ejf  
M%v 6NxN  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 bA02)?L  
;&`6b:ug  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： ^7iP!-w/  
Mt\.?V:  
C8AR^FW  
"9O8#i<Nr  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd }dpE>  
bEB9J- Q  
结果：评估光束参数 Xz\X 8I  
Rgb&EnVW  
{+jO/ZQu5  
 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。 @Zw[LIQ*  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 Uc( z|  
nQ08(8  
>Y=qSg>Ik  
 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。 .tA=5QY,  
 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） C"R}_C|r)*  
GxS!Lk  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd FE3uNfQs|  
c!]Q0ib6  
光束质量优化 lQ!(lPh  
N ,nvAM  
BY>]6SrP  
 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。 =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）。 L7n
W_  
pMV?vH  
结果：光束质量优化 79Ur1-]/  
_@! yj  
 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。 Kj/Lcx;bh  
y/;DA=  
ccwz:7r  
21z@-&Oq  
 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。） p Cgm!t?/  
'RZ0,SK'  
N14Q4v-*x  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd GC7W7B  

zuI7Px  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 =}'7}0M_=  
T$1(6<:+.  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 N9 TM  
gdkHaLL"  
j<A<\K  
 这意味着参数变化是的正态 ta0;:o?/d  
k_`YVsEYP  
bKk7w#y  
{hVc,\A  
X3HJ3F;==  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 Uj^Y\w-@Z  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 %e+{wU}w?2  
py$i{v
%  
&"DD&87N%  
NL&![;  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 11RqP:zg  
?d_vD@+\  
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） ??z&w`Yy,  
8=u88?Bh  
]l^"A~va  
3{M0iNc1  
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。 .t.4y. 97  
uTvf[%EHW  
总结 m@"p#pt(_  
wcW7k(+0  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 :PNhX2F  
1.模拟 kW&zkE{  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 3`Dyrj#!  
2.研究 &?# YjU"  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 x LGMN)@r  
3.优化 ,15$$3z/E  
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。 _ME?o  
4.分析 Tsocc5gWZ*  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 zC`ediyu  
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。 ,{d=<j_  
!}q@O-}j  
参考文献 ~?B\+6<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). oI"gQFGu`u  
rBZ00}  
进一步阅读 !,{-q)'D  
3v3`d+;&  
进一步阅读 YGhHIziI  
 获得入门视频 O^IS:\JX&  
- 介绍光路图 ([]\7}+8  
- 介绍参数运行 40$9./fe)  
 关于案例的文档 n1)].`  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens USH>`3  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens :Yn{:%p  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing caZEZk#r;  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair ,irc=
0M(  
0G3T.4I  
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QQ：2987619807