[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） i a!!jK}  
>oWP
wXA  
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`H|o'0  

t`E5bWG  

3))CD,|  
lY"l6.c  
简述案例 B G\)B  
"hI"4xSg  
系统详情 HBR/" m  
 光源
VD7-;  
- 强象散VIS激光二极管 X!LiekU!D  
 元件 s=-?kcoJ2d  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 1Z)P.9c  
- 具有高斯振幅调制的光阑 SQ> Yf\  
 探测器 ]gVA6B?&9  
- 光线可视化（3D显示） .<>t2,Af  
- 波前差探测 /klo),|&  
- 场分布和相位计算 jd ;)8^7K  
- 光束参数（M2值，发散角） =23B9WT  
 模拟/设计 9)]`le  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 nw--  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： 72xf|s=  
 分析和优化整形光束质量 d+v|&yN  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 yN{**?b  
*~6]IWN`  
系统说明 i^jM9MAi  
u`Nrg<  
g]HxPq+O  
模拟和设计结果 jrN 5l1np  
:KvZP:T  
数值探测器结果 aC1 xt(  
@q<h.#9  
nt|n[-}  
^0>^5l'n  
U&B(uk(2  
总结 ~h8k4eM  
EJC}"%h  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 A@lM=   
1.模拟 u;^H=7R  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ?:60lCqj  
2.评估 V?JmIor  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 4IfkYM  
3.优化 W3\+51P  
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。 EB+4]MsD  
4.分析 KS~Q[-F1P  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 YGChVROG~  
B &Z0ZWx  
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。 8b,Z)"(U3  
8cY5:plK  
详述案例 #oEtLb@O  
EMH-[EBx  
系统参数 N|>MqH,Bt  
,:}VbQ:3I  
案例的内容和目标 gPKO-Fsd"  
mL}Wan  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 ',FVT4OMw  
fvTp9T\f3  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 e jk?If 07  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 C;ha2UV0H  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 hZ<FCY,/?  
_%rkN0-(a  
模拟任务：反射光束整形设置 8j&1qJx)  
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。 8_D:#i  
gEVoY,}/-U  
0""%@X]m  
w{;bvq%lY  
vy5{Vm".4  
w"Zws[pm]  
规格：像散激光光束 @&G %cW(  
o~:({  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 !C' Y 7  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 pDr/8HEh  
>>-{AR0  
=x^IBLHN  
=1B;<aZH!  
M _Lj
5`  
JKYl  
规格：柱形抛物面反射镜 0R+<^6^l)  
                         _3KfY  
 有抛物面曲率的圆柱镜 0[Zs8oRiI  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 G"yhu +  
 曲率半径等于焦距的两倍 g( eA?  
M|z4Dy  
G8W^XD  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） Z79Y$d>G<E  
$*0XWrE  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ap|V}jC  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） [DSzhi]  
 离轴角决定了截切区域 F JxH{N6a  
uhmSp+%  
规格：参数概述（12° x 46°光束） %8%0l*n'  
5&U?\YNLa  
   >Cr'dKZ}  
9qJ:h-?M  
光束整形装置的光路图 gAGcbepX  
pvqbk2BO  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 t+WUz#i"  
 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。 Bd13p_V"6  
s)~H_,  
反射光束整形系统的3D视图 P<xCg  
g>f_'7F&  
\9.@Tg8`  
A}
03s6^i;  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Q S.w#"X[  
 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）。 K&vqk/JW1  
qZ+^ND(I  
详述案例 :"oUnBY%  
n<7R6)j6  
模拟和结果 y"0!7^  
9d,2d5Y  
结果：3D系统光线扫描分析 0R?LWm j  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 $k3l[@;hE  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ZEU/6.  
5./(n7d_  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ..ht)Gex  
`OyYo^+D|.  
使用参数耦合来设置系统 AqP7UL  
L/J)OJe\  
FHu+dZ  
自由参数： 3H/4$XJB  
 反射镜1后y方向的光束半径 (V+iJ_1g{  
 反射镜2后的光束半径 v4x1=E  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） SE!0f&  
 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。 baM@HpMhM  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 tJY3k$YX  
|/35c0IM  
Kkds^v6  
7 S2QTRvH  
Jq?"?d|:  

!+I!J s"  
::rKW*?  
自由参数： !@-g9z  
 反射镜1后y方向的光束半径 ZzuWN&  
 反射镜2后的光束半径 L9)
nRV8  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 4~/3MG  
 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。 ;v1&Rs  
wi/dR}*A  
.q7o7J%  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 7vs>PV  
%CiZ>`5n#  
</8F  
结果：使用GFT+进行光束整形 PG/xX H  
ep2#a#&'  
a5xp[TlXn.  
5}t}Wc8  
f'<MDLl  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 &
ahZ_9Q  
ta 66AEc9  
;4 ON  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 2aUy1*aM  
1tQl^>r16  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 IvyBK]{|  
x:)8+Rn}  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： AGxG*KuZ  
+8AGs,  
u;qBW uO  
|H'4];>R?  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd gf8DhiB  
-q.tU*xf'  
结果：评估光束参数 jQiKof>  
2=6}! Y  
2& l~8,  
 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。 .:b|imgiv  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 *h>KeIB;  
X_eh+>D  
8&"@6/)[  
 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。 ~)JNevLZ  
 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） Z'vGX,:  
Sp=6%3fZ]m  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd }qf)L.  
QM }TPE  
光束质量优化 6:(*
u{  
,wN>
,(  
2=TQU33#  
 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。 =hO0@w  
 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）。 U]Vu8$W  
-&u2C}4s  
结果：光束质量优化 F`$V H^%V  
<I{)p;u1  
f@%H"8w!  
 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。 %!G]H  
a;Q.R  
0P<b
S?e<l  
EVW{!\8[  
 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。） D,rF?t>=S  
ZV`D} CQ  
e.<$G'  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd cboue LEt  
;/3 <  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 WvN!8*XFM  
6p X[m{  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 yE(>R(^  
F8J;L]
(Dq  
DL5`A?/  
 这意味着参数变化是的正态 DA_[pR  
Q3M;'m  
^gwVh~j  
)2|'
`  
`[<j5(T  
 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。 d?RKobk  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 Lzzf`jN]  
5JE8/CbH  
{CM%QMM  
=gCv`SFW  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run \>8"r,hG|  
sglYT!O  
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） 6OJ`R.DM`  
=y; tOdj
  
GoI3hp(  
{%(_Z`vI  
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。 @aU%1h5W;l  
\$o!M1j  
总结 ]o<'T.x  
:xitV]1.   
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 5eI3a!E]O  
1.模拟 m L#-U)?F  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 aHosu=NK  
2.研究 `B+P$K<X  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 *~F\k):>  
3.优化 8Yr_$5R  
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。 A2{u("^[6  
4.分析 b{|Ha3;w  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 Ht
UFl  
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。 kw8?:: <  
T6[];|%W  
参考文献 6Y^UC2TBs  
[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). CQf!<  
^EGe%Fq*x]  
进一步阅读 QMoh<[3qu  
$;1#gq%  
进一步阅读 pp$WM\r  
 获得入门视频 !424K-nW  
- 介绍光路图 0?} ),8v>  
- 介绍参数运行 ~y.{WuUD  
 关于案例的文档 Fp>iwdjFg  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens \F;V69'  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 8W$uw~|dw  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing ~|e?@3_G  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair \ct)/  
i3~"qbU%z[  
HS3]8nJW  
QQ：2987619807