[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） *=nO  
,Q2N[Jwd$  
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 L~0& Q  
71iRG*O  
ua& @GXvZ  
j=3-Qk`"/|  
简述案例 O2#S: ~h  
r\mPIr|  
系统详情 C6k4g75U2  
 光源 L{PH0Jf  
- 强象散VIS激光二极管 i-13~Dk  
 元件 _nX%#/{  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） h(:<(o@<  
- 具有高斯振幅调制的光阑 P>htQ  
 探测器 i,OKfXp  
- 光线可视化（3D显示） !kh{9I>M  
- 波前差探测 E%*AXkJ'dZ  
- 场分布和相位计算 3q~Fl=|.
o  
- 光束参数（M2值，发散角） EzP#Mnz^  
 模拟/设计 NNX%Bq  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ER<eX4oU  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： ,C!n}+27  
 分析和优化整形光束质量 |3@=CE7G  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ec'tFL#u{  
m3?e]nL4W  
系统说明 2v^lD('  
t,Q'S`eTU  
)k%M.{&bji  
模拟和设计结果 + U5U.f%  
QN #)F  
数值探测器结果 MgnE-6_c  
M71R -B`-  
BGpk&.J  
>ZDC . ~  
Kw*
~W i  
总结 Vj7Hgc-,  
_S<?t9mS  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 kk
nhthJ  
1.模拟 >nNl^ yqW  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ?d,M.o{0]  
2.评估 Qi|?d7k0  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 `t9.xB#Z  
3.优化 GiqBzV3"  
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。 @YNGxg~*g  
4.分析 kpT>G$s~gy  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 <[5#c*A  
4g'}h`kh  
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。
]j1 vbk  
TPqvp|~2  
详述案例 D?J#u;h~f  
Q %y,;N"ro  
系统参数 p
.aE  
Wa}"SqYr h  
案例的内容和目标 500> CBL0O  
N.n1<  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 Nc
"NObe  
1!s!wQgS  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 5"e+& zU~f  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 Wa{%0inZ  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 tKX}Ok:V%  
s!i:0}U  
模拟任务：反射光束整形设置 s%bUgO%&  
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。 /6smVz@O  
L3g9b53\  
Jbkt'Z(&J  
ef,F[-2^o  
$BaK'7=3*  
fYs?D+U;PF  
规格：像散激光光束 >Ban?3{  
e+x*psQ  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 c-|kv[
\a  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 6w@,I;  

CCn/ udp@  
67fIIXk&  
}*Dd/'2+1  
dGa@<hg  
-@#Pc#  
规格：柱形抛物面反射镜 oN4G1U Kc  
                         ^}tLnF  
 有抛物面曲率的圆柱镜 6g8M7<og9R  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 `{%-*f^  
 曲率半径等于焦距的两倍 3 ^pYCK%  
(A2U~j?Ry}  
5W|u5AIw  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） q'by
;g*m  
y3Y2QC(  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 .byc;9M%  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） qih6me8C  
 离轴角决定了截切区域 |iAEDZn  
>2nF"?"=  
规格：参数概述（12° x 46°光束） sK#H4y+<  
CJ0$;et  
   {a[&#Uv  
l'W3=,G[?  
光束整形装置的光路图 8u/3?Kc  
j-j'phK  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 Io2,% !D  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 5s#R`o%Z  
N&x@_t""   
反射光束整形系统的3D视图 YmZC?x_{M2  
pb~Ps#"Zg  
`CPZPp,l6`  
t;
h+Cf4  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 PpW A f\  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 P>.Y)$`r  
#W_i{
bdO  
详述案例 XSD"/_xD  
GU2]/\W*a  
模拟和结果 >3<&V{<
K  
"vv$%^
 
结果：3D系统光线扫描分析 M4R%Gr,La  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 qxRT1B]{Wx  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 D WsCYo  
YCtIeq%  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ,oC={^l{  
TXA. 6e  
使用参数耦合来设置系统 YhEiN. ~  
HJnv'^yn  
'SsPx&)l  
自由参数： ]|H]9mys98  
 反射镜1后y方向的光束半径 mvUVy1-c  
 反射镜2后的光束半径 }w;Q^EU  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ---Ks0\V  
 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。 n
C-c8
y  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 T3=-UYx]  
N:m@D][/sW  
u40b? n.  
;}UIj{sj*  
=e"H1^Ml  
%#[r_QQ^  
B^E2UNRA  
自由参数： {s9y@c*15.  
 反射镜1后y方向的光束半径 -MVNXAKnZ  
 反射镜2后的光束半径 \c5#\1<  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ,Y

78Q  
 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。 r*~n`  
(ouRf;\6$8  
a!s.850@  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 GQEIf$  
o3kt0NuF,  
C*Y :w  
结果：使用GFT+进行光束整形 [wXwKr  
4]|9!=\  
Z<$E.##  
'<*CD_2t-  
s[vPH8qb  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 //`cwnjp  
+=,4@I%  
%_%f#S  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 J?|K
#<%  
Tye$na&$}  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 'p|Iwtjn>  
V PLC
ic,T  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： .O@q5G  
{GG~E54&B  
$Hl+iF4j<  
d~P<M3#>  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ~%8Q75tn.  
}]Gi@Nh|o  
结果：评估光束参数 <MWXew7b  
X*c_^g{  
D-2v>l_  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 ;?O883@r8  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 u+I r:k  
E<98ahZ?l  
~_# Y,)S!z  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 N c&i) qh  
 M2值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M2值是由光束偏离引起的） '!r+Tz  
a@V/sh  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd b0zx
T9  
f>"!-3  
光束质量优化 'o#J>a~!9L  
="'P=Xh!8  
yjM@/b  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 S$kuhK>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）。 i?i7T`  
JtrDZ;^@  
结果：光束质量优化 3Q!J9t5dc  
n'&`9M['%d  
Wc`J`&#.#  
 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。 6yl;o_6:  
%t5BB$y  
H-\{w   
"o5gQTwb  
 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。） l:5CM[mZ  
~QEXB*X-g'  
nTlv'_Y(  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd z kX-"}$8  
BJ.8OU*9]S  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 >fZ/09&3  
u6S0t?Udap  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 $bi_i|?  
2dd:5L,  
%Dr4~7=7a  
 这意味着参数变化是的正态 ;~gd<KK  
Mn }Z
9S[  
,O&PLr8cJ?  

1uS>{M  
w#G=Z_Tt  
 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。 J PzQBc5e  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 ]htZ!; 8J  
$qUta<o2@  
b[[6X  
VgZaDd;  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run `d|bH;w  
u0oYb_Yv  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） w[$nO#  
?#EXG  
>K|GLP  
<Ec)m69P  
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。 3Llj_lf  
[ls ?IFg  
总结 @<TfA>*VJ  
k@";i4}A  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 C}P \kDM  
1.模拟 sQw`U{JG  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ATmqq)\s  
2.研究 97))'gC  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 5fx,rtY2sQ  
3.优化 t-4R7`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。 `)C`_g3Ew  
4.分析 $H:h(ia:  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 v.LUK  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 F/od,w9_  
z vylL M  
参考文献 g\{! 2
1M  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). b`W'M:$  
'iISbOM  
进一步阅读 CygV_q
  
>'TD?@sr  
进一步阅读 L,A-G"z0Z  
 获得入门视频 Is6']bYh  
- 介绍光路图 aq,)6P`  
- 介绍参数运行 u r.T YKF  
 关于案例的文档 n`T[eb~  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens =O'%)Y&  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens rWfurB5f  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing )>M@hIV5>  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair Ce'2lo  
m3xj5]#^$  
gL}Y5U+s  
QQ：2987619807