[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） $`Z-,AJc  
5xm^[o2#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 +%'S>g0W=  
<J`"
,h  
\tj7Jy  
N;9m&)@JR'  
简述案例 :[1^IH(sb  
f;C*J1y  
系统详情 S`Jo^!VJ4  
 光源 /R@,c B=  
- 强象散VIS激光二极管 s0 ZF+6f  
 元件 s:y~vd(Vi  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） Z.b}  
- 具有高斯振幅调制的光阑 gNdEPaaFI  
 探测器 :@:i*2=  
- 光线可视化（3D显示） Zz<k^
 
- 波前差探测 ,m-z D  
- 场分布和相位计算 :Rh?#yO5  
- 光束参数（M2值，发散角） d;3/Vr$t=  
 模拟/设计 ccc*"_45#  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ,
Jy@n]x  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： <n4T*  
 分析和优化整形光束质量 Q`"gKBN1  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 HJVi:;o  
(j^Qa~{mG4  
系统说明 z+K-aj w  
|F }y6 gH  
M^c`j#NQ  
模拟和设计结果 N02X*NC  
|gvx^)ro  
数值探测器结果 y9cDPwi:b  
!o+Y"* /  
Bb5|+bP  
b^wL{q  
[Bn C_^[W  
总结 2lVJ"jg  
:a M ZJm  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 9qUc{ydt  
1.模拟 'OIOl  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 [?3]+xr:  
2.评估 nRYHp7`  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。  |,*N>e  
3.优化 ]Ek6EuaK  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 !_Z\K$Ns  
4.分析 D#ZzhHHP  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 C&\MDOjx  
aDrF"j  
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。 P.L$qe>O  
 `mar-r_m  
详述案例 'R&Y pR  
YP*EDb?f  
系统参数 0p"l}Fu@`  
: +Na8\d  
案例的内容和目标 .<0|V  
xq`mo  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 T r|B:)X  
]ow$VF{y  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 nQe
^Bn  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 O$F<x,  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 2YT1]x 3  
x*
]&Ca0+  
模拟任务：反射光束整形设置 z+ch-L^K4  
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。 [1+ o  
vL>cYbJ<  
W7bA#p(  
?T]` X
 
8|Wu8z--  
Lp!4X1/|\  
规格：像散激光光束 )
qDCh  
%sd1`1In  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 (OA-Mgyc  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 /WvF}y  
'o D31\@I  
K90wX1&  
L="ipM:Z  
Hz?C9q3BX  
<ttrd%VW  
规格：柱形抛物面反射镜 0\qLuF[)  
                         UH8q:jOi  
 有抛物面曲率的圆柱镜 nK95v}p}Y  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 DrAp&A|WV|  
 曲率半径等于焦距的两倍 ,]A|z ~q  
Pu|PIdu!08  
9%{V?r]k  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） z|KQiLza
 
??\1eo2gB  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Lek!5U
g  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） |hx"yy'ux  
 离轴角决定了截切区域 #$-zg^  
p"%K(NL  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 9'$\G
N{0  
+c7e[hz  
   3pzp6o2  
s5`CV$bz  
光束整形装置的光路图 t@#+vs@  
Sw1z^`  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 h>w(Th\H  
 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。 r6JQRSakR  
Yz%AKp  
反射光束整形系统的3D视图 ~
J~@mE2ks  
dBWi1vTF  
ILN Yh3  
nj90`O.K  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 `;`fA|F^  
 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）。 M0jC:*D`"  
P
Z#\O  
详述案例 *KMW6dg;  
G+_Q7-o&d6  
模拟和结果 V4["+Y  
[:hTwBRF  
结果：3D系统光线扫描分析 Ihn#GzM?u  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ;hf{B7  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 /v<FH}  
/8cfdP Ba  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd bjL8Wpk  
eNHSfq  
使用参数耦合来设置系统 S17iYjy#8T  
Th'B5:`  
]QJN` ;b0  
自由参数： [-5l=j r  
 反射镜1后y方向的光束半径 GLBzl
Z?  
 反射镜2后的光束半径 >~F_/Z'5  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） bMA\_?  
 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。 d`w3I`P1  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 .!`y(N0hc  
pdw;SIoC  
j7XUFA  
RJ+["[k  
-$2B!#]3
 
HV?Q{XK.b  
:aO`q/d  
自由参数： r|ID]}w  
 反射镜1后y方向的光束半径 &6@#W]_  
 反射镜2后的光束半径 ^~7/hm:  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） w/oXFs&FK  
 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。 lZ*V.-D^
]  
2lu AF2  
d71|(`&  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 x:? EL)(  
=C(((T.  
g7l?/p[n  
结果：使用GFT+进行光束整形 >zS<1  
:z^,>So:  
z+5%.^Re  
-;Ij ,
 
9F"^MzZ  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 FoX,({*Ko~  
6JB*brO  
r.ib"W#4  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 '}, 8x?  
">M:6\B  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 F&_b[xso7  
n8.Tag(#  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： TN=!;SvQU  
~(x"Y\PEu  
KBg5_+l  
9=}&evGm89  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd -}C
MNh   
oXgi#(y  
结果：评估光束参数 _@D"XL#L  
V6!1(|  
hQ80R B  
 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。 ,Zva^5  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 ?m\? #  
2DXV~>  
TMG|"|  
 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。 0x2[*pJ|IW  
 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） @=6*]:p2.  
DEQ7u`6  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd  V$fn$=  
hkDe
w0k  
光束质量优化 ?BnX<dbi&  
QIC? `hk1  
Zq"  
 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。 MWI7u7{  
 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）。 mO0}Go8  
Oq[YbQ'GE  
结果：光束质量优化 ZkmYpi[  
') K'Ea  
y1bo28  
 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。 q+U&lw|"w  
:zQNnq:|  
VJSkQ\KD  
zI$'D|A  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） s-Qq#T  
71c(Nw~iQ  
lQqP4-E?  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd <"@5. f1"Y  
7_~_$I~g*  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 z#GrwE,r   
NJmyp!8  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 34I;DUdcE  
N gagzsJ=  
589P$2e1X  
 这意味着参数变化是的正态 K6 c[W%Va  
i$6o>V6  
[mFgo il  
:U,-v  
$ qTv2)W1{  
 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。 w,-4A o2x  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 NL-V",gI-~  
J]5ZWo%  
,!QtViA7  
/pL'G`  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run FVWHiwRU,  
3oM&#a  
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） SedVp cb+  
V
)c.AX5  
T:3}W
0s,  
%+oV-o\ #A  
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。 XB<Q A>dLh  
;~Gez;AhK  
总结 <_yy0G  
h|.{dv  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。  @7J;}9E  
1.模拟 ]<k+a-Tt  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 v+W4wD  
2.研究 %&!B2z}  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 Vo%DoZg  
3.优化 .>NPgdI  
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。 km29]V=}  
4.分析 xiO10:L4  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 ^L-; S  
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。 M%2w[<-8c  
H^JFPvEc  
参考文献 ?~X^YxWsY  
[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). ?ajVf./Ja  
^qNZ!V4T  
进一步阅读 y'_2|5!Qs  
.$xTX'  
进一步阅读 *
0z'!m12  
 获得入门视频 MPMAFs  
- 介绍光路图 /\U:F  
- 介绍参数运行 fJ;1ii~  
 关于案例的文档 |u.3Tp|3W  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens (H-kWT  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens O)INM  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing ztC>*SX  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair 0}
q*s!  
WQv`%%G2>  
O+=C8  
QQ：2987619807